気圧や水圧について

気圧や水圧はなぜ横や下からも受けるのでしょうか？

教科書によれば、上からの圧力の求め方は、水圧の場合、
水圧がはたらく物体の真上にあるすべての水が受ける
重力と同じ、という考え方から算出しています。
しかし、その考え方では、横や下からは力がはたらかなく
なってしまいます。

やや理論的で分かりやすい考え方を教えてください。

（実際に実験してみてそうなる、や、そういうものだ、という回答は
ご遠慮下さい。）

No.3 回答者： el156 回答日時： 2011/05/22 20:33

液体や気体は自由に動けるからです。

圧力は、単位面積に加わる力(N/m2)と考えるよりも、分子と分母にmを掛けて、単位体積が蓄える圧縮エネルギー(J/m3)と考える方良いと思います。水圧について考える前にまず固体の圧力について考えておきます。固体の場合、圧縮されたことによるエネルギーを応力と言う形で貯めます。応力は押された方向と押し返す方向が違う場合があるので、ベクトルとベクトルとの関係、即ちテンソルになります。上と下だけに物があり横に何も無い場合はその特殊な場合と考えれば良いと思います。一方液体や気体では圧縮されたことによるエネルギーを圧力として貯めます。圧力と応力は本質的には同じですが、自由に動ける液体や気体では押されたら全方向に押し返すので圧力はスカラーです。液体や気体の場合横に何も無いと流れ出てしまうので、無限に広がっているか、もしくは容器に入っているか何れかを想定する必要がありますが、横向きの流れが無ければどちらでも同じです。ある水深での圧力はその上の水の重力によって生じ、全方向に押し返しますが回りの水もそうなので釣り合っているということで如何でしょうか。静かな水槽の中の圧力は深さ方向に強さが違うスカラーポテンシャルです。分布はありますが方向はありません。

No.2 回答者： oo14 回答日時： 2011/05/22 19:40

１ｍ×１ｍ×１ｍの硬い四角い箱（聖面体）があったとして、その箱を

水（４℃がいいかも）にぎりぎり上面が水につかるぐらい沈めたと仮定してください。
箱の底は１ｍ２ですからそこには１００×１００×１００ｇすなわち１００００００ｇすなわち
９８００Ｎの水の力がかかっていますので、１Ｐaは１Ｎ/ｍ２ですから、
９．８ｋＰａの水の力がかかっています。
しかるに箱の横は水面は水圧０でそこから深くなるにつれ９．８ｋＰａ/ｍの力がかかってきますが
４つの面はお互いに対向していますので、上下方向の力は発生しません。

「しかし、その考え方では、横や下からは力がはたらかなくなってしまいます。」と書いておられますが、じっくり考えてみてください。

働いてはいますが、お互い完全に逆方向から同じだけの力が
働いているが、箱を移動させる力になるのは、底面にかかっている力１トンだけですね。

教科書が間違っていないことについては、まだあなたには、やっぱりこの説明では無理かな？

No.1 回答者： sanori 回答日時： 2011/05/22 19:13

こんにちは。

分子が上下左右にランダムに運動しているためです。
分子は外側の物体に衝突しますが、それこそが圧力の正体です。

また、「温度が高い」というのは、分子の運動が激しいことを表します。
ですから、同じ体積に保たれているとき、マクロで見れば「温度が高いほど圧力が高くなる」ということになります。

分子の運動がまったくなくなった状態を、絶対０度（０ケルビン≒－２７３℃）と言いますが、このときはもちろん圧力もゼロになります。