中３ 理科の問題

質問

「図のような水の入った細長いガラス管に空気のあわを閉じ込めて、
両側にゴム栓をした。この管をさかさにして傾けると、閉じ込めた
空気のあわがゆっくり上昇していく運動ができた。」

この問題の解説に、

「この実験では、空気のあわには浮かび上がらせようとする力と
水の抵抗による力とがはたらいているが、これらはつり合って
いるので、あわは等速直線運動をする。」

と、書いてあります。

ちょうど、「作用・反作用」の勉強をした後なので、
これらの力がなぜ「つり合い」なのかわかりません・・・。

説明できる方お願いします！！！
文章だけではわかりにくいかもと思って
問題の図も載せておきました。(自分で書いたものですけど・・・。)

回答No.7

goodknight

一言

「力が釣り合ってゼロになら、動かない(v=0)」
と思いこんでませんか？
「釣り合ってゼロなら、加速しない(a=0)」
が正しいので動いていてもいいんです。この文章は
「等速直線運動(a=0)なら、力は釣り合ってゼロ」
と言いたいだけなのです。

これ案外分かってない高校生多いですよね。

回答No.6

gohtraw

＃２です。少々補足を。
　泡の大きさに対して管の直径が充分大きい場合でもこの現象は見られます。勿論管が細ければ抗力は大きくなりますので現象として明瞭に観察できるわけですが。
　次に、気泡ではなく、水より密度の小さい液体（例えば油）でも同じ現象が見られます。従って水の圧力が変化して気泡のサイズが変わることも（勿論影響はありますが）必須ではありません。
　さらに、この現象は空気中での落下や、液体中の沈降でも見られます。例えば雨粒は地上に達する時にはほぼ等速度運動になっています（サイズによってそうならない場合もありますが）。

回答No.5

naniwacchi

本題からは少しずれたところなのですが、気になったので。

＞ちょうど、「作用・反作用」の勉強をした後なので、
＞これらの力がなぜ「つり合い」なのかわかりません・・・。

「作用・反作用」と「つり合い」は違います。
・作用・反作用は、2つの物体間で及ぼしあっている2つの力が同じ大きさであること
・つり合いは、1つの物体に働いている力（複数）の合力が０になること
と対象となる物体が違っています。

本題ですが、#4さんの最後の説明での説明が
＞空気のあわが「ゆっくり」上昇していく運動ができた。
この「ゆっくり」ということを一番よく表していると思います。

回答No.4

hmtbsh

まず、力がつり合っているという状態についてですが
図の空気の泡には上向きの力(浮力)と下向きの力(水からの抵抗)
の二つの力が働いています。

力が働いている場合、物体は加速運動(つまり時間に対して速度が増加する運動)をするのが普通ですが、
物体に働いている力が【つりあった状態】ではこの加速は起こらず常に一定の速度、方向に運動します。
つまり【ゆっくり上昇していく運動】とは【等速直線運動】を暗示していて
力がつり合った状態にあるということです。

また解説を補足すると、泡は最初、加速する運動をするはずです
しかし、空気中でも水中でも空気抵抗(水からの抵抗)というのは
物体の速度に比例(速ければ速いほど大きいこと)するので
そのうち泡を上昇させる力と等しくなり、つりあった状態になります
こうなるともはや加速はなくなり【等速直線運動】をするというわけです。

回答No.3

nakayan57

泡が管よりもかなり小さければ、加速して上がります。

問題のように泡の直径が管の直径とほぼ同じ（わずかに小さい）場合、
上に上がろうとする力のある泡を
泡の横をすり抜けて下へ降りようとする水が押す形になります。

その二つの力が釣り合い、等速運動となるわけです。

回答No.2

gohtraw

運動している物体に力が働いていない時、その物体はその運動状態を保って運動を続けます。一方、力が働くと加速度が生じ、運動状態が変化します。例として
前者：滑らかな床の上を物体が滑る場合、物体は等速直線運動をします。
後者：重力の働いている場で物体を落とすとその落下速度は時間とともに増加していきます（空気抵抗を無視した場合）。これは等加速度運動です。

　ご質問のケースでは、気泡は浮力を受け続けるので、水の抵抗がなければその浮上速度は時間とともに増加します。
　水の抵抗を考慮に入れると、浮上速度ゼロの時は水の抵抗による抗力もゼロなのですが、浮上速度が大きくなると抗力も大きくなっていきます。そのうち抗力の大きさが浮力と同じになり、物体には力が働いていないのと同じになるため以後気泡は等速直線運動します。初めからつりあっているのではなく、抗力がゼロから次第に大きくなって浮力に追いつくイメージです。

回答No.1

植松 一三（@jf2kgu）

例えば海等では、水中で息を吐き出すと上に行くほど水圧が泡のなかの圧力によって、水圧が弱くなるので膨らんで浮力が付くために、加速しますが、今回の場合には、上も栓されているために水圧が変わらない為に泡が膨張しようとする力と、水圧が変化無い為に、等速直線運動すると思います
違うかな？
ただ管に対する、表面張力と摩擦の影響はは無いものとします