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コップに入れた水の表面はなぜ水平？

2002/02/04 22:18

水平という言葉の語源でもありますが、コップに入れた水の表面はなぜ水平なんでしょう？水に限らず液体は全てそうですよね？

8boy
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化学
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starflora
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2002/02/05 10:44 回答No.4

　　　先の方の回答で、ほぼよいと思うのですが、もう少し詳しく考えて見る必要があるので、補足として説明します。　　　水も含めて液体というのは、分子から出来ているのですが、分子のあいだには、結合力というものが働いています。また分子間の反発力というものもあります。これらを結合力とまとめて言いますが、水は分子が結合力で結ばれているので、まとまった形をしています。つまり、「気体」だと、この分子のあいだの結合力がないので、分子は自由に飛び回っているのですが、液体はそういうことは起こらないということです。液体が蒸発して気体になれば、無論、自由に動き出しますが。　　　この結合力が、液体の場合、互いを結びつける力にはなるのですが、立体的に、分子のあいだの並び方の角度や相互距離を決めるような形の力にはなっていません。そういう風に結合力がなっているものは、「固体」になります。固体は言ってみると、分子をそれぞれの位置に固定している立体格子があって、この格子のなかに分子が填っているということになります。だから、固体を例えば指で押しても、変形しません（粘土などは変形しますが、あれは、固体と液体の中間の状態で、どちらでもありません）。無論、格子を造っている力を越えるような強い力で固体を押すと、たわんだり、歪んだり、時に、力が大きすぎると、割れたり壊れます。　　　液体の場合は、その全体の形を自由に変形できます。「外からの力（重力や、遠心力や、揺らす力などです）がない時」は、液体は、互いに分子が結合力で引き合っていますから（これを「表面張力」とも言います。そういう形で現れるからです）、全体としては、実は「球形」になります。これが、重力などが、きわめて小さな宇宙空間では、水が球体になっている理由です。　　　地球上では、しかし、静かにコップに水を入れても、「万有引力」があり、水の分子一つ一つに重力が働き、分子を、重力の方向に向け引っ張ります。コップのなかの水だとあまりはっきりしませんが、この重力は、液体が厚い層になっている場合は、下に行くほど、上の液体分子にかかった重力が、下の分子を押すことになるので、底の方では、もの凄い力になることがあります。それは、深海では、もの凄い圧力があるということからも分かるでしょう。　　　けれども、液体、つまり水などの表面では、別に上には、水を押す分子はありません（実は上に空気の層があり、多数の空気分子の衝突が、全体として平均的に水の表面を押しているのですが、これは、ほぼ均一な力で、無視してもよいのです。また、空気も層になっていて、地上などは、空気の層の底ですから、大きな空気圧がかかっています。これが普通の１気圧というものです。しかし、これも、ほぼ同じ高さのコップの表面程度だと同じ大きさで無視できます）。　　　そこで、コップの表面の水の分子を考えると、それぞれ重力による下向きの力で、下の分子を押します。ずっと底までこの調子で、押して下がるまで押して、その状態で、表面の高さが決まります。ある位置の分子と、少し離れた分子を較べると、その地上からの高さが違う場合、高い位置の分子が、重力で下向きに押すと、下の分子が、底から順番にぎっしりと重なって身動きできない場合は何も起こりませんが、低い位置にある分子があると、高い位置にある分子の集まりは、下に押すだけでなく、横向きにも押すことができるようになります。普通は、横向きにも、ぎっしり分子があるので、身動きできないのですが、低い位置があると、そこへ力で押す余地があるので、力が横向きまたは斜め向きに働きます。こうして横向き、斜め向きに押すと、下にさがるので、高い位置の分子、または分子の集まりは、低い位置に向け、移動する運動をします。　　　こうして、水のなかで、分子の横向きの運動が起こり、それは、ぶつかりあったりして、波が起こります。しかし、波が起こると、分子が互いに運動で摩擦し合うので、次第に、エネルギーが熱などに変化して、熱は、段々拡散して行きます。つまり、波が段々エネルギーを失って、小さな波になり、やがて、時間を長いあいだ置くと、波そのものが、もはや区別できなくなります。　　　これは、コップの水の表面で、高いところと低いところがあった場合の話で、その高い低いとは、とりあえず地面からの高さとしましたが、正確には、「重力の大きさの同じ面」からの高さです。　　　コップの水の表面は、水平でなくなった場合、分子が、高い位置から低い位置へと運動しようとして、水の動きが生まれ、波ができるのです。しかし、長い時間のあとには、波はおさまり、水の表面の分子はすべて、同じ重力の大きさの面から、同じ距離の高さの位置で安定するのです。これが、水の表面が「水平」である理由です。　　　コップをゆっくりと（あるいは激しく）傾けると、必ず、波が生まれます。しかし、傾けた角度が一定の状態に維持されているなら、その角度とは関係なく、やはり、「重力の大きさの同じ面」（これは近似的に、地上表面で大体あっています）からの高さ一定の状態で安定します。　　　「重力の大きさの一定の面」からの高さ一定と言っているのは、重力は、地球上で一様でなく、この変動の影響を受けるぐらい、水面が大きいと、水面が水平でなく、ある部分でくぼんでいたり、ある部分で膨らんでいたりするからです。また、地球はほぼ球体で、重力の大きさの同じ面も球面に近い形をしているので、非常に大きな水面だと、地球の表面の曲がり具合に応じて、水面が曲がって来ます。海洋の表面が水平でなく、地球を被う球面であるのは、そういうことの大規模な例です。　

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fu-raibo-
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2002/02/04 23:16 回答No.3

一つは液体は流れやすいから、もう一つは重力が働いているからです。水の様に流れやすいものは、高いところから低いところに移動します。移動させている力は重力です。もし、コップに入れた水の水面で、他よりも高い場所にある部分があればそこは下に流れて行きます。周りと同じ高さになって流れて行く先が無くなると動きが止まります。従って、コップに入れた水の水面は同じ高さ＝水平になります。液体(というか流体)でも、水あめのように流れにくいものは、一時的に水平でない状態を作れますが、これも時間がたてば水と同じ理由で水平になります。また水でも、遠心力のような力を重力と異なる方向にかければ水平で無くなります。液体の流動性と、重力が表面を水平に保つという現象を生み出しているのです。