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水の中で木が浮く理由
- 水の中に木を入れると浮きます。その理由として、木の上面の圧力と下面の圧力の差が木の質量より大きいためだと考えられます。
- 木の上面の圧力と下面の圧力の差は、水の分子が木の表面にぶつかって生じる現象によって生まれます。
- 分子の数や速度による圧力の差の具体的な原因はよくわかっていませんが、水の中で木が浮く現象は密度や温度の違いによるものではなく、物理的な圧力の差によって起こると考えられます。
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補足が必要かもしれませんね 圧力というのは 分子の運動そのものではなくて平均値です 分子同士はそれぞれぶつかり合ってエネルギーの受け渡しをしています このときの法則は単純で エネルギーの高いほうから低いほうへの一方通行です あまり正確な言い方ではないですが ミクロで言っても分子には重さがあるので 地球の重力に引かれて加速度が加わっています なので 上から押される分 水は深いところほど圧力が大きくなります 空気は密度が薄く（分子密度が薄いので）顕著ではありませんが それでも 高山と海岸では 大気圧に差があります 最初に述べましたが 圧力は 分子運動の平均値です 一方 温度とは 分子運動のエネルギーのことです（厳密な定義に立ち入ることはとりあえず避けます） つまり 温度の高い空気で希薄な状態もありうるわけですね これを表現すれば 圧力が低くて高温の気体 とか 圧 力が高くて温度の低い液体という表現などになるわけです だから 水は下のほうが熱いというのではなく（なぜなら 確かにエネルギーを上から貰い 分子運動が高まりますが すぐ隣にぶつかりすぐにエネルギーは減少します あまりうまい説明にはなりませんが 下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくく（つまり 温度は高くない）ぶつかり合って小刻みに振動しているため 全体としては（つまり圧力は）高くなる というわけです。 地球上空を登っていくと 気温はどんどん下がっていきますが 同時に空気も薄く希薄になり やがて 分子などが（ぶつかりにくく）ある程度自由に動けるようになると 温度は上昇していきます（つまり それだけ分子運動の速度が上がるということです）でも そこに大きな質量を持った物体を持っていっても その温度にはなりません 逆に物体からどんどんエネルギーが放射されて凍り付いてしまいます これは ミクロな分子での現象と マクロな現象との違いですが、温度が高いのに凍りつくという異なった現象ですが 矛盾しているわけではありません ですから 水の深さで密度は同じでもなぜ熱いわけではないのか？ という回答は 次のようになります 実際は 密度が違うわけではなく ぶつかり合って推しあうためにちかずけない（つまり あまり密度的には変わらないように見える）すぐぶつかり合うために その自由平均行程も短く 分子の動きもほとんど早くならない むしろ 動きを制限されて 低下？（スピードが遅いことは 温度が低いということ）でも ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる ということです。 ミクロでの意味と マクロでの現象 それらの違いや認識をしっかり把握すると 疑問も解けるのではないかと思います もっとも このような 疑問にたどり着かない人も大勢いるので 悩むだけ理解の入り口に到達しているといえるかもしれませんね。 わかりやすい説明になっているかどうかはわかりませんが 参考にしてもらえれば幸いです。
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- buturikyou
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調子乗りだと思われるのを承知でさらに書きます！ 「水圧には境界があればそこを垂直に押すという性質がある」 と思わざるを得ません。その説明は困難を極めますが可能性の一つとして、 「境界は水を垂直に押して支えている」 ま、そこで作用反作用の関係になっていると思えば気は安らぎますが、秦の解決には程遠いです。このように「状況によって向きが変わる」という性質はベクトル的でなくてスカラー的と思われますが、そうしたら運動量的でなくてエネルギー的だといえます。 すなわち重力ポテンシャルによるんじゃないでしょうか？
- buturikyou
- ベストアンサー率31% (22/69)
もう少し厳格に思考実験をする必要があると思います・・。 斜めに傾いた壁面があるとして壁面の一点における水圧は重力の和であるのに「どうして壁面を垂直に押すのか？」という疑問です。この疑問に答えない限り真の解決は得られません！
- yokkun831
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>すると圧力が倍になるためには分子の数が倍にならなければいけません。確かに分子の密度が水の深さによって大きくなるのは分かりますが、倍にもなるとは思えません。そこがどうしても理解できないのです。 水の分子の間には引力がはたらくために、分子が離れずひとまとまりの液体として集まっています。しかし、分子間の距離がわずかに縮まると急に大きくなる斥力（反発力）に転じます。上にある水の重みで水自体が圧縮する割合はほんのわずかなのですが、そのわずかな圧縮に対して水分子は大きな抗力を生じるのです。ですから、圧力が倍になるのに分子数が倍になる必要はないのです。気体の場合と違って単純な「衝突回数」で力を判断できない事情が水にはあるわけですね。以上の説明は、基本的にNo.1さんの回答に同じで、結果的に多くの回答が寄せられましたが、No.1さんのが最も明快で適切なものだと思います。
お礼
ありがとうございます。 分子の衝突による圧力とそれ以外のもの（分子間の斥力によるもの）がある、ということですね。そして後者の方が影響が大きい、と。 分子間斥力が他の物体に与える力というと若干イメージがつきにくいのですが、もう少し考えて見ます。 ありがとうございました。
- buturikyou
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＞１）重力の向きを変えて伝える （重力によって縮まったバネが壁面に垂直に作用する） さらに言えば、ここは「重力によるバネだからうんぬん～」では無い可能性もあります。その意味による高度な解が求められる可能性が高くて、分子運動による圧力的な方向では正しい答えが得られないでしょう。 粉体の理論で「微小振動する粉体は壁面を垂直に押す」という原則でもあれば頼りになるかと思いますね・・。 浮力の理論として正しい納得に至るかどうか分かりませんが？（ま、残念ですが・・）
- buturikyou
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本格的には《パスカルの原理》を語るにあたって、 「静水圧というものは重力に起因した（圧力の）矢印の向きを境界条件に応じて垂直に変化させてしまう性質を持っている」 という言葉を経なければ正しい解決には向かう事が出来ないと思います。そこで伝達される“重力の向きが変わったもの”は残念ながら分子運動とは無関係であるはずです。分子運動のある種の役割というのは、 １）重力の向きを変えて伝える （重力によって縮まったバネが壁面に垂直に作用する） ２）物体の移動を反面阻害しない （位置を変えるから取り除く必要がない） １）は重力伝達の役割を直接に受け持っているバネであって気体のように分子運動で壁面に運動量を加えて圧力に化けさせるのではない・・。
- buturikyou
- ベストアンサー率31% (22/69)
× 《気体熱運動論》 → ○ 《気体分子運動論》 でしたね・・。 ポイントは「静水圧というものは分子運動じゃなくて重力である」ということなんです！分子が運動していて物体にぶつかるからだと考えてしまったら気体ではまあまあ正しくても液体では無茶苦茶になりますから気をつけましょう。上下の重力差が片方が上向きになって差し引きになるのは作用反作用で説明がつきます。 ま、僕はかなり以前にここまで考えたことがございます！ 後は《パスカルの原理》に任せたらどうでしょう・・。 重力場に逆らった仕事の例として滑車でもなんでも物体を垂直に引き上げる仕事を考察してみれば理論物理学の《最小作用の原理》が必要だと分かります。重力とつり合わせる力を逆向きに与えて準静的仕事をさせるのですが、さて、準静的仕事とは「力がつり合った条件下における運動」ということです。最初に撃力Δｐを与えてそれを「十分に小さいとして無視する」というのが健全な行き方でしょう。 浮力現象の場合には重力と重力の反作用の差が上向きになることから物体が加速しようとすることは確かだと判断します。 次に分子運動はその加速運動を妨げるが妨げきらないと考えるべきでしょう。 浮力現象の上方への運動はＦ＝ｍａ（Ｆは計算された浮力）よりも緩慢であることが知られています。その原因こそは「浮力は水の分子運動の上下差による物理量じゃない」証拠であると踏んでおります。もし水の分子運動の上下差による力によるならば計算通りに加速するはずです。
- buturikyou
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極論からいえば上下の圧力は釣りあったままで移動するのが重力が原因の浮力現象の基礎になると思いますよ。測定される水圧は水の自重によります。それが《パスカルの原理》すなわち「流体中の圧力はあらゆる方向に伝えられる」によって斜めからでも上に向けてでも同じ圧力として測定されるのです。さて問題は「この場合の数値はそもそも水の分子運動によるのではない」ということです。《気体熱運動論》じゃないんですから・・。詳しいことはパスカルに聞けという事ですが、彼はそんなに微視的な基礎までは考えていなかったでしょうし、誤った理科教育の先人たちも自分では解けなかったこともまた確かなんです、で、だから“原理”と言って思考停止しあうのが物理学の慣習じゃないですか？ 「原理疑うべからず」なんですよ、私は最近はボーアの《対応原理》を疑っていますが、そこは個々人の自己責任で特別なことをしているという自覚を強く持つ必要があるんです！ １）水圧は下のほうが大きい ２）分子運動は上下で変わらない この１）２）は両立してしまっているのですから致し方ございません！ ＞プールで深さが２倍になると圧力が２倍になりますが、密度はほぼかわりません。衝突数で圧力が決まるなら密度も２倍にならなければなりません そうでしょ、話はそこからですよ、僕ももう少し頑張ります・・。
- 91091
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理想気体の場合は、衝突回数の分だけ圧力が高くなります。圧力が高いと分子密度が高くなりそのまま圧力が高くなります。 水の場合はそうではありません。 プールで深さが２倍になると圧力が２倍になりますが、密度はほぼかわりません。衝突数で圧力が決まるなら密度も２倍にならなければなりません。（質問者様の疑問はここにあると思います。） 液体は気体と違って、分子間力を考慮しなければなりません。 分子間力が全液体にわたって相互作用し合っていますから、分子と物体との斥力が全液体から作用されます。 極端な例だと固体ですが、分子は動いていませんが、圧力というのは確かに存在し、明らかに上に載っている固体の重さの分だけの圧力があります。固体も結局分子間力の作用によるもので、液体でも同様な圧力が存在します。 理想気体は、分子間の相互作用がありませんが、密度という形で圧力に反映されます。
お礼
回答ありがとうございます。お礼が遅くなって申し訳ありません。 私の真意を汲んでいただき、感謝いたします。 『液体は気体と違って、分子間力を考慮しなければなりません。 分子間力が全液体にわたって相互作用し合っていますから、分子と物体との斥力が全液体から作用されます。』 ここの部分をもう少し噛み砕いてご説明いただけると大変ありがたいのですが・・・・
- yokkun831
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お米の中にピンポン玉を沈めておいて，ゆさゆさゆするとピンポン玉が浮いてきます。これはなぜでしょうか？もちろんピンポン玉よりお米の方が重くて下に落ちていくからです。その代わりに浮いていくピンポン玉はどんな力で浮いていくのでしょうか？ピンポン玉が受ける力は重力以外にはお米から受ける抗力しかありません。お米から受ける抗力の総和が浮力ということになります。お米は下にいくほど大きな抗力を及ぼしあってわずかに縮んでいます。この縮みがもとにもどろうとする力で押し合っている。これが抗力であり，その平均が圧力ということになるでしょう。 ピンポン玉が浮くのはなぜなのか？「お米がより重くて下に落ちるからだ」というのと「お米の圧力が下のほうが大きいからだ」というのとは同じ理屈の別表現です。さらにつきつめれば，お米が変形に対してどう応答するか，さらにお米の分子間力は距離の変化に対してどう変わるか・・・ということになり，最終的には量子論の領域に踏み込むことになるでしょう。木が水に浮く場合も同じです。最終的には分子間力が水分子のわずかな接近に対して急激に増大する斥力になるということで説明されるのではないでしょうか？「衝突回数」とあえて括弧書きしたのはその意味からです。 マクロに見れば，もちろん重力による位置エネルギーが減少する方向に運動が起こるのです。浮力による位置エネルギーは，媒質を含む系全体においては媒質＝水の重力による位置エネルギーということになります。浮力はあくまで重力を原因とする現象ですから，重力による位置エネルギーで説明できるのはあたりまえですが，系の内部に視点を移すと複合系ですから重力の効果は必ず他の力を媒介として現れます。たとえば，定滑車にひもをかけて重さの異なるおもりを両端に下げると重い方が降下して，軽い方が上昇します。このとき重力の効果は，糸の張力として現れています。木が水に浮く場合，水が重いおもりで木が軽いおもり，そして糸の張力（したがっておもりの張力）が水圧に相当します。 「計算が合うのか？」というのはいかにも意地悪な注文です。残念ながら原子・分子の内部（量子論）に踏み込んで正確に記述された水分子間力のポテンシャルを私は知りません。マクロの現象に合うようにポテンシャルのモデルが試されているというのが現実ではないでしょうか。
- buturikyou
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＞これは空気の分子運動で説明されていたと思います。５０年前に私が高校生であった時からずっとそうです。光圧で回るという説はいつごろの話なんでしょうか。 ごく初期です、最初に作った人の思惑だかどうだかは知りませんが・・。 この場合の空気の分子運動の差は温度差によるのですよね？
お礼
解説ありがとうございます。お礼が遅れて申し訳ありませんでした。 ご説明を要約すると「下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくくなっていて、自由平均行程も短く、ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる」ということになるのでしょうか？ 要するに水の密度に原因がある、とおっしゃっておられるようですが、私には水の上下の密度差がそのまま圧力差になるほど大きくないように思えてならないのです。そのあたりをもっと理解したいと願っています。