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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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重力ポテンシャルによる現象です！水分子が重力を伝達することはございません・・。
- chikin_man
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＞上面の圧力と下面の圧力の差はどうやって出来るのか。 物体を水の中に置くと、そこの部位だけ均衡が取れなくなります。 そこで、水の中と物体間に圧力差（浮力）が生まれます。 ＞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。 ぶつかる分子の数は表面積（接触面積）で割ると同じです。分子の速度分布はマクスウェル分布に依存しますが、その分布は時間によらず一定になります。 ＞分子の速度が大きく違うのであれば、水は下の方が熱い 水の中では多数の分子がいろんな速度で不規則な方向に運動しているため 分子の速度は平均化され、一様に動いています。一時的に分子の速度が早いところは水の中で打ち消され、その影響は少ない、と言えます。
- KitCut-100
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水の上面と下面の圧力差により木が浮きます。その通りです。その圧力差はもちろん重力のの作用です。 さて御質問の水の圧力ですが、それをどのように考えるのか考えて見ます。 1)温度 もちろん温度は一定ですから今回の無関係です。 2) 水の非圧縮性 水は非圧縮性といわれますが、それは気体と比較した場合の話であり、 本当は圧縮性があります。 この圧縮性が圧力を発生す原因です。 水も固体もそうですが、体積弾性率いう言葉がありこれは、その液体なり 固体に全面から同一の圧力が作用した場合それだけ体積が減少するか その割合をしまします。 体積弾性率が大きいと圧力を加えても体積の 減少はすくなくなります。 液体は気に比べて格段にこの値が大きいため 非圧縮性と表現されますが、本当は圧縮性です。 水は圧縮性であるが、その体積弾性率が大きいため、ほんの少し体積が減少するだけで、大きな圧力に当てる事ができます。 木が浮かぶ程度の圧力変化では体積はほとんど変わりませんが、 この変形に対応した圧力変化が生じます。 これが 木を浮かばせる圧力変化です。 ミクロ的に考えると、、水は液体ですが、それぞれの分子の原子間距離が存在します。（平均として） この分子間距離がほんの好くし小さくなると大きな反力発生します。 これが体積弾性率が大きいいう事です。 回答をまとめると、 水の微妙な体積変化が圧力変化を生じさせている。 という事です。
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。