こんにちは
森本です。
物理の力学分野で
つまづいていませんか？
この中で、
「圧力」
というものがあります。
この圧力につまずいちゃうと、
定期テストで赤点祭り
入試本番で大問丸々１つ解けない
こんな、悲惨なことになりかねません。
実際に、自分はこうなりかけました。
それでもなんとか耐えて
大学入試は合格しました。
さあ、
ドキッとした人
これを、
回避できる
チャンスです。
この記事を読めば
入試で
圧力の問題が出てきても
解くことができ、
学校の定期テストでも
赤点なんて言わず
高得点を狙えちゃいます
回避した方法
そして、
この分野を
理解したやり方を
わからない人たちに
見てもらえたらって思います。
では、
早速やっていきましょう!!
圧力って
なにか覚えてますか？
「プレッシャー(＝圧)をかけられたー」
なんて言っていませんか？
圧ってのが、圧力です
こういう発言を聞くと、
『圧力』も力の一種かな？
と思ってしまいますね。
でも、
物理学的には
『圧力』は
重力や弾性力のような力
そのものではありません
『圧力』とは、
1 m²あたりにかかる力
のことなんです。
なぜこんな定義が
生まれたのでしょう？
そして、
空気から受ける圧力は『大気圧』
水の重さによって生じる圧力は『水圧』
と呼ばれています。
では、
今回は
「大気圧」・「水圧」
を見ていきましょう。
大気圧とは
地球を取り巻く厚さ約10 kmの空気のことを
「大気」と言います。
この大気、いわゆる空気があるおかげで、
私たちは呼吸できるわけですね。
大気の中では、
膨大な数の分子が飛び回っています。
分子は飛び回りながら
地上の色々な物体に衝突します。
分子が物体に衝突するときには
力が加わります。
1つの分子が衝突して加える力はほぼ0
ですが、
大気中の膨大な数の分子が衝突すると、
とても大きな力になりますね。
大気中の分子が衝突して受ける力を
1 m2あたりの圧力として
計算したものが、
『大気圧』です。
大気圧の大きさは、
どれくらいなのでしょうか？
大気圧の大きさ
地表面で受ける平均の大気圧の大きさは、
P0＝1.013×105 N/m2＝1.013×105 Pa＝1013 hPa
であることが分かっています。
つまり、
これが1 atm(気圧)で、
1 m2あたり
約105 Nの力を受ける
ことを表していますね。
質量1 kgの物体が受ける
重力が約10 Nです。
すると、
105 Nの力は10000 kg＝10 t
の物体が受ける重力と同じですね。
なので、1 atmは1 m2の面積の上に
10 tの物体を乗せたときに受ける圧力
になるわけです。
超大型のアフリカゾウ1頭が1m2の面積の上に
乗っているようなものですね。
それから、
高い山の山頂では、
大気圧は
小さくなります。
標高0 m地点にかかる大気よりも、
標高5000 m地点にかかる
大気の厚さの方が
5000 m少ないですね。
なので、
大気圧も小さくなるんです。
山の麓で密封された食品の袋が、山頂で
パンパンに膨れているのを
見たことがありますか？
内側から袋を押す気圧は
山の麓の大気圧と同じですね。
でも、
山頂での大気圧は小さいので、
袋を外側から押す気圧が
内側から押す気圧よりも
小さくなりますよ。
なので、
袋がパンパンに
膨れてしまったのですね。
こんな感じ ↓
水圧とは
水中で受ける圧力を
『水圧』と言いますよ。
簡単に言えば、
水の重さによる圧力です。
「重さ」とは物体に働く重力の大きさのことで、
単位は[N]ですよ。
つまり、
重さ[N]＝重力の大きさ[N]＝質量[kg]×重力加速度[m/s2]
なので、覚えておいてくださいね。
さて、
水深が深い方が
多くの水の重さを
受けるので、
水圧は大きくなります。
では、
大気圧P0[N/m2]の大気の下で、
水深h[m]での
水圧P[N/m2]が
いくらになるか
求めてみましょう。
水圧の公式
底面積が1 m2で
深さh[m]の水の柱を
考えましょう。
この水が底面1 m2を
押す圧力が求める
水圧Pになりますよ。
つまり、
P＝大気圧P0＋底面1 m2を押す水の重さ
となるわけですね。
底面積を1 m2としたので、
水の重さの値がそのまま水圧になります。
大気圧は分かっているので、
底面1 m2を押す水の重さを求めましょう。
水の体積は1 m2×h[m]＝h[m3]
なので、
h[m3]の水の重さを考えます。
水の密度をρ[kg/m3]とします
(ρはローと読みます)。
密度とは、
単位体積あたりの質量
のことですね。
単位体積が1 cm3 の場合は、
密度は1 cm3あたりの質量になります。
なので、
質量＝密度×体積
というわけですね。
そうすると、
水の質量[kg]＝ρ[kg/m3]×h[m3]＝ρh[kg]
ですよ。
重力加速度をｇとすれば、
この質量の水に働く重力の大きさが、
水の重さ[N]＝ρh[kg]×g[m/s2]＝ρgh[N]ですね。
これより、水深h[m]の地点での水圧Pは、
P＝大気圧P0＋ρgh [N/m2]
水圧は水深h[m]に比例するので、
水深が深いほど水圧は大きくなる
というわけですね。
水圧の式は丸暗記せず、
いつでも
自分で導けるように
しておきましょう。
それから、
水圧は下向きだけにかかるわけではありません。
水中にある物体は、
全方位つまり横向きや
上向きの圧力も受けていますよ。
まとめ
大気圧は、
- 大気から受ける圧力
- 平均の大気圧P0＝1.013×105 N/m2
水圧は、
- 水中で受ける圧力
- 水深h[m]の水中で受ける
- 水圧P＝P0＋ρgh
(P0：水面が受ける大気圧 ρ：水の密度、g：重力加速度)
水圧を求める式は、
自分で導けるように練習しましょう！
練習する問題は
必ず簡単な問題
学校のワーク、参考書の例題
これで、まずは自分をならしましょう
その次から
実践を解いていく
これを破ると
最初の結論にたどり着きますから要注意
最後まで読んでいただき
ありがとうございます！
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「理解できた！」
などがあれば
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めちゃくちゃありがたいです！
今後の記事に活かしたいので
どんどん教えてくださいね！
では、失礼
