たとえば、コップいっぱいに水を入れると、表面張力で液面が
盛り上がりますよね。
そのとき、板などでコップの上をなぞると、ちょっと水がこぼれるけど、
結局平らな面にはならないと思いますが、この板などでなぞる間の液体の
様子は、わかるものなのでしょうか?
たとえば、板が通過して何秒後にまた液面が盛り上がる、とか、そういうのは
わかるものなのでしょうか?

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A 回答 (2件)

液体に働く表面張力は液体表面の面積を最小にするように働きます。

同一体積で最も表面積の小さい形が球形なので出来る限り、球体のなろうとしますが、液体には表面張力以外にも重力が働いているので、それら全ての力が釣り合った状態で安定します。その時の形状が、全体としてはコップの形と同じになり、表面だけ少し盛り上がった形なのです。全ての力が釣り合って静止している状況で、外部から力を加える(板でなぞる)と力の釣り合いが崩れてしまうので、液体は流動(流れて)形状を変えます。その結果、あふれる事もあるでしょう。
(実際は、板でなぞっている間も板からの力全て含めて、釣り合いを保ちな 
 がら刻々と変形をし続けているはずですが)
板がなぞり終わってしまうと液体に働く力は、再び表面張力と重力だけになってしまうので表面が少し盛り上がった形状に戻ってしまいます。
しかし質問では、何秒後に戻るのかが問題となっていると思います。
板でなぞる事によって液体表面を変形させた後に元に戻そうという力は前述したように表面張力と重力との合力です。その合力に対し現在の形状のままで保ちたいという抵抗勢力があります。それが、その液体の粘性(粘度)です。同じ大きさの戻そうという力が働いたとしても、粘度が大きいほど戻るまでは長い時間が必要になります。液体は力を加えると流動します。この時の流動速度は大きな力を加えるほど速くなります。液体とは流れる物で流動速度と流動させるための力が比例すると考えたのが、あの有名なニュートンだと聞きました。この時の比例定数が粘度(ニュートン粘性)なんのです。
表面張力、重力、水の粘度が判ればどのぐらいの速度で元に戻ってくるのか(移動速度)が計算できるはずです。
精度良く計算するには、実際の動きは3次元空間ですから、3次元全ての方向での力のバランスを考慮して、有限要素法などを使い、コンピューター解析が必要だと思います。
水の場合は粘度が低いので、何秒という単位ではなくもっと短い時間単位での話にあると思います。(実際に計算はしていませんが)
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状況がよくわからないので推論ですが・・・


まず水の体積を考えると
現在の水の量=元の水の量-こぼれた水の量
ですよね。
結局現在の水の量がコップの持つ体積より高ければすぐにでも水は盛り上がってしまいます。
実験してみればわかることですが、板の通過中にも水は盛り上がっているはずですよ。
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これはなぜなんでしょうか?
表面張力?はたまた水流ができて、コップと水の間の圧力が大気圧より低下するから?
教えてください!
お願いします。

Aベストアンサー

 回答の質問に対する説明。
 はい、結果的にはそうです。
 私は、極性というのは、水分子のようにはっきり個々の分子に分極の理屈が分って+-を帯びている場合に用います。コップ(硝子、プラスティック)のように色々な種類の原子や分子(物質)が製造過程で溶かされ一体となった大きな物質は分子構造が分りません。
 こういう場合、私は、科学の基本で理解します。全ての原子は、水素、酸素、ポロニウム、ウラニウム、と名が着いているけれど、結果的には皆電気的性質の違いを区別のためにつけたものと。
 現在定着した原子という粒子の覚え方は、原子核が現す+電気の数で原子番号をつけているし、その回りを-電気を持った電子が+電気の数だけ、自転しながら核の周りを回り、+-のバランスがとれていて、外部に+や-電気の気(け)が現れない。
したがって、結論は
 ●全ての原子は電気の粒であり、名前の違いは、電気的性質の違いにつけたもの、と記憶しましょう。誰も、先生もこの一言を教えません。
 この原子に、静電気の力(電界、電圧、小さいけれど水の+や-の電気が放出する透明な力など)が加わると、
 ●(1)原子の一番外側を回る電子が引きちぎられると原子は+電気を帯びた原子になるし(日本語では電気に分離したという意味で★電離と言い、外国語で+イオンとも言う)
 ●(2)-電子が引きちぎられないまでも、軌道が引っ張られてずれて片寄ると、原子内では+-がずれて極性を持ち(分極ともいう)、外力の電界が去ると、ばねのように電子軌道が元の+-がバランス取れた状態に戻り、+-の極性が消えてしまう。★この物質を、その性質から誘電体とか絶縁物と言います。
 一般に金属原子は電離しやすく、抜けた電子は電流になって流れることができ、電気の良導体になる。一方H、O、C、N、原子で出来たプラスチック、生物(人体を含めた動植物)類は誘電体です。
 コップは硝子、プラスティックの成分によって、室温や摩擦等の条件で+-の電気を帯び、水の電気とコップの電気でくっついたと理解します。
 ●現在、物質がくっつくのは、★最終的には電気の粒子である原子同士の結合ですから、+-の電気の吸引か磁力の吸引しかないのです。と

 回答の質問に対する説明。
 はい、結果的にはそうです。
 私は、極性というのは、水分子のようにはっきり個々の分子に分極の理屈が分って+-を帯びている場合に用います。コップ(硝子、プラスティック)のように色々な種類の原子や分子(物質)が製造過程で溶かされ一体となった大きな物質は分子構造が分りません。
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直方体の上面にはたらくは下向きにpoS+ρLSg
これはいいのですが、
下面の水圧が上向きにpoS+ρ(L+h)Sg


ここがわかりません

わからないのは、
・大気圧が水面に下向きにはたらいてるのに、直方体の下面には上向きにかかっていること

・下面にはpoS+ρ(L+h)Sgと書いてあるが、展開するとpoS+ρLSg+ρhSg
ここで、直方体は水以外の物質としてるのに、なぜかρhSg(直方体を水としたときの圧力)がかかっていること

です
また、仮にこの直方体が水だったとしたら、浮力は働かないはずなんですけど、このようなやり方で説明するにはどうすればいいですか?

ちなみに高校生にわかるように回答お願いします!

Aベストアンサー

>大気圧が水面に下向きにはたらいてるのに、直方体の下面には上向きにかかっていること

水中の深さ x での圧力は p0 + ρ g x で、その圧力は等方的(どの方向にも同じ)ですから、圧力がかかる面がどちら向きであるかは関係ありません。また、大気圧は水面には働いていますが、水中の直方体に直接働いているのではありません。

>直方体は水以外の物質としてるのに、なぜかρhSg(直方体を水としたときの圧力)がかかっていること

直方体に外部から働く力を考えているのですから、その深さでの水中の圧力(上記)が使われています。

>仮にこの直方体が水だったとしたら、浮力は働かないはずなんですけど、このようなやり方で説明するにはどうすればいいですか?

水から直方体に働く力は、上向きに
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