水風船の中に金魚を入れて床にぶつけたら？

たとえの話です。
水風船の中に金魚を入れて床にぶつけたらどうなるでしょうか？

金魚は水の中にいるときは、水中に停止しています。
水風船を自由落下させても、水中に停止しているでしょう。
水風船が床にぶつかったとき、水風船はつぶれ、水圧が高くなるでしょう。
しかし、水中に停止していることには変わりが無い気がします。
その後、水風船は上昇するでしょう。

水風船が床にぶつかったときの衝撃は、水中に一様に分散し、たいしたダメージは無いと思うのですが。

たとえば、頑丈な水風船に生理食塩水を入れ、人間が中に入ります。ビルの上からそれを落としても、たいしたダメージは無いと思いますが、何階くらいからだったら死ぬくらいのダメージがあるでしょうか？

そのような救命装置は作れないでしょうか？

No.7 ベストアンサー 回答者： kurokuboy 回答日時： 2006/07/15 23:40

No.3です、この問題は救命装置云々よりも思考実験として考えませんか？そのほうが面白いし制約が取り払われ自由な考えが出ると思いますが。

タマゴの話は比喩的表現としてはgoodですね。
順序だって考えます。
タマゴが中央に静止しているという事は比重は水と全く同じと言うことです。
この状態でビルから落とした場合風船は空気抵抗で減速しタマゴ（人間でも同じ）は空気抵抗を受けないから風船の下に押し付けられる‥と言う事は有りえません。理由を述べます。

中央に留まれると言う事は比重が同じと言う事でそれは水とタマゴの区別は無いという事です。風船の中は水だけ入っているのと何ら変わらないと言うことです。この状態で空気抵抗の中を落下させたとしても内部中央の水が下面に移動する理由は有りません。
別の例ですが電車の中にヒモが切れた風船が空中停止していて急加速又は急ブレーキをかけたとき風船はどちらに動くかと言う事を考えてください。結論は静止状態を保ちます。慣性系の中でも外でも空気と風船は区別がつかないからです。
では風船が空気より軽く、天井にへばりついている場合はどうでしょうか。ブレーキをかけると風船は後ろに飛んでいきます。

話を戻します、もしもタマゴが下に押し付けられるというならそれはタマゴの比重が水よりも大きいと言う事で、なら初めから中央には留まれません。

自由落下だろうが空気抵抗の中だろうが比重が同じ物は相変わらず中央に留まれます。これはどんな加速度や重力場の中でも同じ。

次に中央に居たタマゴが地面に激突した場合地面方向から極めて短時間（dt）非常に大きな圧力が襲ってきます。この瞬間はパスカルの原理で全方向から均等に‥などと呑気な状態ではありません。但し水を伝わる衝撃波の速度に対して衝突時の速度が充分小さければタマゴはほぼ全方向から圧力がかかり、つまりタマゴの下側と上側には圧力差はほとんど無く中身も液体ですからつぶれる事は無いでしょう。タマゴを緊急脱出させるなら実用性が高いかも知れません（笑）。
しかし人間は体の中に空間があります、肺ですね。
風船が柔らかくても水には慣性が有りますから力が分散される前に大きな圧力が人体を襲います。

その圧力に肺の空気は圧縮され肋骨は内側に折れ無事で済むでしょうか？まあコンクリートに直撃よりはダメージは少ないですが。

結局タマゴを万力で左右から圧縮すれば簡単につぶれるが大きな注射器に水と共に入れればピストンを10トン位で押してもタマゴはつぶれないと思います。
理由ですがタマゴの中身は液体なので簡単には収縮せず、又タマゴにはおっしゃるとおり全方向から直角にかかるため殻に横方向の歪は発生せず、さりとて中身は縮まないので殻の受ける圧力は中外共に同じと考えられますから。

静止状態か比較的速度が小さい時はタマゴでは完璧、人間では肋骨が折れる、鼓膜が破れるなどの危険がありますね。水では有りませんが火星探査機の着陸に同じような装置が使われましたね。

この回答へのお礼

いろいろありがとうございます。
スタントマンが高いところから落ちるとき、床に大きなクッションをしきますが、そのクッション自体に包まれながら、上空から落ちても、ダメージは少ないでしょうね。
もちろん現実的にはクッションは大きすぎますが。

お礼日時：2006/10/29 01:52

No.6 回答者： am3141592 回答日時： 2006/07/15 10:09

>実証して間違いないと確信して…

やってみました。ペットボトルに空気が入らないようにバケツの中で水とプラスチックのかけらを入れました。プラスチックは水よりやや軽かったので浮きましたから、ボトルを横にして左右に揺すりましたが、プラスチックはボトル内の位置をほとんど変えませんでした。
>慣性力により液体の中でも上下に動く…
慣性力以外にも働く力が考えられます。加速度を加えることにより水中に圧力差が生じます。その差(上下方向なら浮力と呼んで良いと思います)が、水と同じ比重であればおそらく慣性力をキャンセルして位置を変えないですむのだと思われます。
>衝突の衝撃が、生卵には全方向から分散されてふりかかる
上と同じ考え方で、衝突したときは足の方に大きな水圧が生じ、上向きの大きな力が加わってしまうと思います。
>人体にかかる衝撃を減らすにはこの式のどこかを細工…
人体がどれだけの水圧と加速度に耐えるかわかりませんが、とにかく時間を稼ぐ必要があるので、適度な硬さの大きな水風船の上の方にいればいい、というか風船の上に乗ってるほうが楽かも。

No.5 回答者： Yosha 回答日時： 2006/07/15 03:47

No.2 です。

>その生卵は浮かんでも沈んでもいなくて、箱の完全な内部にあり、外壁と接していません。
>箱をビルから落としても、箱が地面と衝突しても、生卵は箱の外壁と接することはないでしょう。

生卵が丁度、箱の中央になるよう箱の内部の液体の比重を完全に調節したとします。
この状態で静かに置いた場合は、確かに、生卵は間違いなく中央にあります。
この箱を、手に持って上下に揺すったとします。その時でも生卵は中央にじっとしていると、お考えですか。
生卵が慣性力により液体の中でも上下に動くことは、容易に考えられませんか。
別の例をあげます。上部が空いた容器に、上記の液体を入れます。上からそっと生卵を入れたときの生卵の動きはどうなるとお考えですか。
そうです、生卵は中央より下の方まで落ちていき浮上し始めます。中央より少し上がった状態でまた下降し始めます。最終的に生卵にかかる重力と浮力が釣り合って中央で静止します。
>箱を準備し、玉子の中身の液体で内部を満たし・・・
たとしても液体である限り箱を上下に振れば、生卵も中央でじっとしてるわけには行きません。中央で動かなくするためには周囲を固体で固定するしかありません。
また、>玉子の中身の液体で内部を満たし・・・た場合の卵の位置は不定です。中央にあるとは限りません。
ここの考え方が、間違っています。

もう１つ。生卵が中央にあったときに、衝撃を受けたと仮定します。このときに考慮する点は、生卵の中にも液体が満たされていると言うことです。液体は殆ど圧縮しませんので、卵の殻は、外部からの圧力の影響を殆ど受けないと考えるべきです。

いくらアイディアといえども、救命装置のような生命に関する装置、器具などに関して云々する場合には、他にも、考慮すべき点は多くこれらのすべてを実証して間違いないと確信して始めて口から出すべきと考えます。

私は、数学者でもないし、物理学者でもありませんが、物事を突き詰めて考えていくときに、どこかで仮定とか条件とかの設定が抜けたり、間違ったりすると、当然結果も間違ったものになります。正しい結論を得ようとするなら、如何に正しく、仮定とか条件を考慮、設定すること出来るかがキーポイントとなります。
ここのところを勉強するのが科学、物理学、数学ではないでしょうか。

No.4 回答者： Yosha 回答日時： 2006/07/14 01:16

No.2 です。

この場を、議論の場とするのは、マナー違反と思いまのが、簡単に説明だけしておきます。

>たとえば、頑丈な水風船に生理食塩水を入れ、人間が中に入ります。ビルの上からそれを落としても、たいしたダメージは無いと思いますが

落下途中は、「水風船」は下からの風圧を受け自由落下を妨げられます。一方中の「人間は」風圧の影響を受けませんので自由落下の速度で落ちようとします。即ちその速度の差で、人間は「水風船」の下部に押し付けられます。その状態で地面に叩き付けられると、衝撃を緩和するのは、「水風船」の壁のみとなります。
結果はどうなるか分かりますよね。「頑丈な水風船」ならその材質もかなり硬いといえますので尚更です。

No.3 さんの言われているように、式の中の、特にdtが問題になります。dtを多く取ろうとすれば、それなリの厚さが必要となります。

>そのような救命装置は作れないでしょうか？

要は、「水風船」の中の水は殆ど無関係だと言えます。従って、この考えは、全くナンセンスだということです。

この回答へのお礼

こんにちは。僕は数学側の人間でして、理想の状態で考えがちです。
でも、また分かりやすさのために生卵という言葉を使います。
生卵は１０センチくらいから落としただけでも、割れます。
しかし、床が衝撃吸収剤もしくは水面だと、１０メートルの高さから落としても割れないというような映像を見たことがあるような気がします。
今度は、箱を準備し、玉子の中身の液体で内部を満たし、一個の殻付の生卵を入れます。
その生卵は浮かんでも沈んでもいなくて、箱の完全な内部にあり、外壁と接していません。
箱をビルから落としても、箱が地面と衝突しても、生卵は箱の外壁と接することはないでしょう。

箱が地面と衝突したとき、箱は一瞬で縮み、内部が圧縮されます。生卵も圧縮されますが、それは全方向から衝撃があるものと思います。
つまり、衝突の衝撃が、生卵には全方向から分散されてふりかかる。
なので、たとえば、１００メートルの高さから箱を落としても、内部の生卵は割れないものと思いました。

こういった事象の思考は、FAQと思いますが、僕は物理は素人なので、詳しいことを知りたい次第です。

お礼日時：2006/07/14 11:04

No.3 回答者： kurokuboy 回答日時： 2006/07/13 21:51

こんばんはkurokuboyと申します。

面白い発想なのですが深く考え過ぎでは有りませんか。

風船や水はこの際無視して救命装置の中の人間の動きだけに注目してみてください。
風船が破裂しないと仮定するとビルの屋上から人間が加速度をつけながら落ちてきて地上の数十センチ手前で瞬間にとまる、と言うことですよね。

運動方程式

F=m・dv/dt でF=衝突時にかかる力
ｍ＝人間の体重
dv=衝突直前の人間の速さ
dt=衝突が始まってから止まるまでの時間

この式で人間の体にかかるチカラが計算できますが実際はkatadanaokiがお考えのように水からの衝撃も加わりますので実際はもう少し複雑でしょう。しかし根本は同じ事かと思います。想像を絶するチカラが人体を襲いますね。

人体にかかる衝撃を減らすにはこの式のどこかを細工しなければならないと思います。

この回答へのお礼

こんにちは。僕は数学側の人間でして、理想の状態で考えがちです。
でも、また分かりやすさのために生卵という言葉を使います。
生卵は１０センチくらいから落としただけでも、割れます。
しかし、床が衝撃吸収剤もしくは水面だと、１０メートルの高さから落としても割れないというような映像を見たことがあるような気がします。
今度は、箱を準備し、玉子の中身の液体で内部を満たし、一個の殻付の生卵を入れます。
その生卵は浮かんでも沈んでもいなくて、箱の完全な内部にあり、外壁と接していません。
箱をビルから落としても、箱が地面と衝突しても、生卵は箱の外壁と接することはないでしょう。

箱が地面と衝突したとき、箱は一瞬で縮み、内部が圧縮されます。生卵も圧縮されますが、それは全方向から衝撃があるものと思います。
つまり、衝突の衝撃が、生卵には全方向から分散されてふりかかる。
なので、たとえば、１００メートルの高さから箱を落としても、内部の生卵は割れないものと思いました。

こういった事象の思考は、FAQと思いますが、僕は物理は素人なので、詳しいことを知りたい次第です。

お礼日時：2006/07/14 11:03

No.2 回答者： Yosha 回答日時： 2006/07/13 05:17

あなたの思考パターンはかなり視野が狭く、自分の考えにおぼれています。

一方的です。

>そのような救命装置は作れないでしょうか？
慣性の法則を全く無視しています。慣性について勉強してください。
このような救命装置が出来るはずはありません。
全くナンセンスな話です。

この回答への補足

金魚という言葉を使いましたが、理想的・簡潔な状態をイメージしていました。

「大き目のゴムボールの中を水で満たし、小さな水風船を入れる。すべてが水で満たされ、空気は無いものとする。
ゴムボールは、地上１００メートルから落としても割れないと思うが、内部の水風船は、割れるのだろうか。けっこうな衝撃でも水風船は割れないような気がするが、どれくらいの高さから落とせばはじめて割れるのだろうか。」

補足日時：2006/07/13 12:43

No.1 回答者： omi3 回答日時： 2006/07/12 22:42

魚には浮き袋が内臓されているんですよ。

残念ながらそのアイデアは、
もう日本のアニメに使われています。

しかも、肺の中まで液体をいれるので、完璧です。

この回答への補足

金魚という言葉を使いましたが、理想的・簡潔な状態をイメージしていました。

「大き目のゴムボールの中を水で満たし、小さな水風船を入れる。すべてが水で満たされ、空気は無いものとする。
ゴムボールは、地上１００メートルから落としても割れないと思うが、内部の水風船は、割れるのだろうか。けっこうな衝撃でも水風船は割れないような気がするが、どれくらいの高さから落とせばはじめて割れるのだろうか。」

補足日時：2006/07/13 12:33