どのように説明すれば？

質問

水を満たしたお椀に、空気が入らないようにプラスチックの
板（下敷きなど）でフタをします。

この状態でお椀をひっくり返しても下敷きはピッタリくっついたまま、水はこぼれません。
この現象はどのように説明すれば良いのでしょう？

下敷きをしたから押し上げる空気の圧力のためでしょうか？
お椀でなくて、底の平べったいペトリ皿のようなものならば同じ結果になるのか、体系的な説明をすることはできるのでしょうか？

どなたかご教授いただけると嬉しいです。ヨロシクおねがいします。

回答No.1

noname#252183 · ベストアンサー

体系的な説明と言えるかどうか・・・

図のように、上部を閉じた丈夫な内径不問、高さ13ｍくらいの円筒を池に立てます。
最上部から真空ポンプで中に入っている空気を抜いて行くと、水は水面に働く1気圧の大気に押されて、約 10.3ｍの高さまで上ります。
それ以上は、円筒内の水の重量が勝つために、真空ポンプで幾ら引っ張っても水は上がりません。
（厳密には本当の真空ではなく、 15℃で約 0.017気圧の水蒸気を含む、高い減圧状態になり、これを考慮すると 10.3ｍではなく約 10.1ｍまで上がります。）

この状態で、図のＡの部分に、赤線で示す軽くて丈夫な蓋をあてがい、全体を池から外に出します。
大気が下から押す力と水の重量が釣りあっているので、ギリギリ水は落ちません・・・と言いたいですが、余りにギリギリ過ぎて、少しでも蓋に重さがあれば、水＋蓋の重力が大気圧に勝って水がこぼれ出ます。
10ｍ以上では欲張りすぎで、高さ5ｍの円筒の中の空気を全部抜いて水を満たせば、今度は余裕で水は落ちません。

水を満たしたお椀に、空気が入らないようにプラスチックの板で蓋をした場合は、お椀の中は図の緑線と同じ状態です。
この程度の僅かな水の重量なら、１気圧で働く空気の力は、蓋を楽々押し付けて、水をこぼしません。

回答No.2

noname#137826

空気の圧力のため、というので正解です。

お椀をひっくり返した状態では、下敷きには3つの力がかかります。

1. 重力(下向き)
2. 水から(下向き)
3. 空気から(上向き)

最後の空気の圧力による力は、お椀の面積(説明しづらいのですが、図のSです)に空気の圧力を乗じたものです。
3が1と2を合わせたものよりも大きければ下敷きは落ちません。
ペトリ皿でも全く同じことが言えます。

この空気の圧力による力は、結構大きなものとなります。
例えば、お椀の直径が10cm程度だとすると、8000kg重(8tの物体にかかる重力と同じ大きさ)程度になります。
数百ccの水と数gの下敷きを支える程度など全く問題ない大きさなのです。

# 気圧による力がいかに大きなものであるかは、有名な実験があります。
# 「マグデブルグの半球」で検索してみてください。

ちなみに、水を満たさずに下敷きで蓋をしてひっくり返した場合は・・・当然ながら下敷きは落ちてきます。
これはお椀に空気が入っているためです。
上記の3項目のうち、2番目が「空気から(下向き)」となります。
この力の大きさは3番目と同じなので、1の重力のために下敷きは落ちるというわけです。