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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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- htms42
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＞ま、“分子運動が浮力の原因”というのはかつてのラジオメーターの「光圧によって回る」という誤った説明と同質だということですよ？ ラジオメーターというのは ガラス管の中に片面を黒く塗った羽根車が入っているものですね。電灯とかストーブの前に持っていくとクルクル回ります。 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。
- buturikyou
- ベストアンサー率31% (22/69)
× 堆積差 → ○ 体積差 ですね？ ま、とにかく重力ポテンシャル的な認識をすべきじゃないかな、ここは！ 電磁場の世界で《ＡＢ効果》の発見は「電場も磁場も共に０であるにもかかわらず電磁ポテンシャルの存在によって電子の挙動に変化が現れる」ことを示した実験です。 ま、必然性ってことですね・・。
- buturikyou
- ベストアンサー率31% (22/69)
１気圧で１０ｍってことは、１０ｃｍでやっと０．０１気圧だってことだぞ？ビールの泡は１ｍｍ以内だから、さらに１００分の１よりもっと気圧差は小さいのだが？０．０００１気圧以下で水の圧力差はともかくとして優位の堆積差は生じないと思われます。
- buturikyou
- ベストアンサー率31% (22/69)
＞「わずかに分子間平均距離が小さくなり、分子数密度が高くなって「衝突回数」が増える」というのが原因になると思います。 質問者の方の質問意図に即したNo1,No4の説明が適当だと考えます。 ええ、ですから問題はそれで計算がピンシャンと会うのかどうか、ということですが？
- yokkun831
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>水圧の原因はその上に乗っている水の重さであると単純に考えればいいのではないですか？ この初歩的な理解を分子衝突による圧力というミクロ現象でどう説明できるか？というのが質問の意図ですから、それに応えなければいけません。 >重力が無いと浮力も生じないのではないでしょうか。 もちろんです。 >重力ポテンシャルによる現象です！ もちろんです。 この重力の影響をミクロ現象のどこに見いだすかというのがここでの主題でしょう!! 圧力のミクロ現象による説明は、下記URLで分子の熱運動のエネルギーと分子間ポテンシャルで記述されています。 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%A7%E5%8A%9B 第1項が分子の速さ、第2項が分子間距離（したがって密度）に関わっています。 気体では第2項はほとんど無視でき、熱運動に加えて重力による「落下」が物体下面の圧力を増大させています。一方水の場合は、第1項への重力の寄与は少ないものの、第2項に寄与しています。すなわち、 「わずかに分子間平均距離が小さくなり、分子数密度が高くなって「衝突回数」が増える」というのが原因になると思います。 質問者の方の質問意図に即したNo1,No4の説明が適当だと考えます。
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。 おそらく、温度はほとんど変わらないから分子の速度はほとんど同じと思ってよいと思います。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。
＃７の続きです。 ＃７であらためてお尋ねするまでもなく、質問者さんは どちらにしても説明がつきません、と述べられておられます。 ということは、水分子の運動が圧力の、そして浮力の原因であろうという前提そのものが誤りだということではありませんか？ 水圧の原因はその上に乗っている水の重さであると単純に考えればいいのではないですか？ 上面の圧力と下面の圧力の差は、その高さの差にある水の重さの差です。 ここで念を押したいことは、重さとか高さとかいうものは重力の存在がもとになっていることです。 重力が無いと浮力も生じないのではないでしょうか。 水分子の運動は重力には関係しませんよね？
質問の中でこう述べられている質問者さんにお尋ねします。 ＞圧力というと、ミクロに見れば水の分子が木の表面にぶつかって生じる現象なのでしょう。 とすると下面の圧力が高いということは、ぶつかる分子の数が多いか、分子の速度が速いか、のどちらかになるはずです。 水深が増すにつれて水圧も大きくなりますよね。 ということは、深いところほどぶつかる分子の数が多いか、 分子の速度が速いかのどちらかになるはずということになりますね。 ぶつかる分子数が多いことが原因だとすると、 木などがもぐっていない深い水中では、 水分子はどこにぶつかっているのでしょうか？お互いどうしですか？ 分子の速度が速いことが原因だとすると、 深さ数千メートルの深海での分子の速度はたいへん大きなものになっているのでしょうね。 したがって深海ほど水温が高くなるのでしょうか？
- buturikyou
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《浮力分子運動原因主義》の方々にはお聞きしたいと思っていることがございまして、 １）１ｃｍの水素ガス風船、水中の微小な泡、は上下の密度差によるとは考えられません！ ２）積極的に温度勾配を作って“上ほど温度が高い流体”を実現すれば浮力現象は妨げられることになりますが？ これらの疑問に答えてから積極的に仰っていただきたいのですが・・。
- buturikyou
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堆積変化を言うなら計算して示さなければなりません！例えば気体中の話に翻訳すれば「ガス風船が上下の密度差ゆえに上昇する」などといったことは私には信じられません・・。重力ポテンシャル論によれば「見かけは木や風船は上昇するが系全体の重心は低下するから単なる落下現象である」と言えるのです。水や空気の分子が動いていることは流体として系全体のポテンシャルが不安定から安定に動くために寄与するばかりなのです。理科実験として砂に埋もれさせたピンポン玉が全体を振動させれば浮かんでくるというものがありましたが、それはけっして「浮力の原動力が水や気体の分子運動にある」ことの説明になるのではなくて、むしろ「移動することによってポテンシャルが原因となる運動を阻止しなくなる」ということなのです。 ま、“分子運動が浮力の原因”というのはかつてのラジオメーターの「光圧によって回る」という誤った説明と同質だということですよ？
- htms42
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＃１のご回答に対する補足になります。 水があれば水圧が働きます。 １０ｍで１気圧です。これは普通１０ｍの高さの水柱の質量に相当する重さが底面にかかるという説明がされています。 １０ｍ深いところにある水の塊は余分に１気圧の圧力を受けているのですから水面にある水の塊よりは体積が小さくなっていなければいけません。ごくわずかですが小さくなっています。それでつりあっています。 理科年表で液体の圧縮率という項目を調べると ２０℃で外圧を１気圧から２気圧に増やした時、水の体積の減少の割合は０．４５×１０^(-9)であるという数値が載っています。立方体で考えると１辺の長さが０．８×１０^(-3)程度小さくなっているになります。 体積が小さくなっていますから密度は大きくなっています。 木の底面にかかる圧力が大きくなるのは衝突回数が増えるからだということになります。 力学の問題で「床（机）の上に置いた物体に働く垂直抗力」というのが出てきます。この垂直抗力の出てくる原因は変形です。ごくわずかに変形しています。バネのような大きな変形ではないので「床（机）は変形しないもの」として扱っています。でも変形しなければ垂直抗力は出てきません。固い物質は変形の小さい物質です。 水は圧力をかけても体積が小さくならない物質として扱います。体積が小さくならなければ深さによる水圧の違いが出てきません。 水の入った容器に木を浮かべると底面にかかる圧力が増加します。これを木が押さえつけたからと解釈している表現をよく見ます。でも木が浮いていても浮いていなくても深さが同じであれば圧力は同じです。木の裏側の部分の圧力が特に高くなっている訳ではありません。木を浮かべることによって水面が上昇するので容器の底面にかかる圧力が増加すると考えるのがいいと思います。
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。