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水の中に木を入れると浮きます。どうしてか、と考えて悩みました。
木の上面の圧力と下面の圧力の差が木の質量より大きいからだ、という事なんでしょうが、では上面の圧力と下面の圧力の差はどうやって出来るのか?
圧力というと、ミクロに見れば水の分子が木の表面にぶつかって生じる現象なのでしょう。とすると下面の圧力が高いということは、ぶつかる分子の数が多いか、分子の速度が速いか、のどちらかになるはずです。
分子の数は液体の場合、非圧縮性があるから、それほど密度が違うと思えません。分子の速度が大きく違うのであれば、水は下の方が熱いということになってしまいます。どちらにしても説明がつきません。
どう考えればいいのでしょうか?

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A 回答 (44件中1~10件)

補足が必要かもしれませんね


圧力というのは 分子の運動そのものではなくて平均値です 分子同士はそれぞれぶつかり合ってエネルギーの受け渡しをしています このときの法則は単純で エネルギーの高いほうから低いほうへの一方通行です あまり正確な言い方ではないですが ミクロで言っても分子には重さがあるので 地球の重力に引かれて加速度が加わっています なので
上から押される分 水は深いところほど圧力が大きくなります 空気は密度が薄く(分子密度が薄いので)顕著ではありませんが それでも 高山と海岸では 大気圧に差があります
 最初に述べましたが 圧力は 分子運動の平均値です 一方 温度とは 分子運動のエネルギーのことです(厳密な定義に立ち入ることはとりあえず避けます) つまり 温度の高い空気で希薄な状態もありうるわけですね  これを表現すれば 圧力が低くて高温の気体 とか 圧
力が高くて温度の低い液体という表現などになるわけです
 だから 水は下のほうが熱いというのではなく(なぜなら 確かにエネルギーを上から貰い 分子運動が高まりますが すぐ隣にぶつかりすぐにエネルギーは減少します あまりうまい説明にはなりませんが 下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくく(つまり 温度は高くない)ぶつかり合って小刻みに振動しているため 全体としては(つまり圧力は)高くなる というわけです。
地球上空を登っていくと 気温はどんどん下がっていきますが 同時に空気も薄く希薄になり やがて 分子などが(ぶつかりにくく)ある程度自由に動けるようになると 温度は上昇していきます(つまり それだけ分子運動の速度が上がるということです)でも そこに大きな質量を持った物体を持っていっても その温度にはなりません 逆に物体からどんどんエネルギーが放射されて凍り付いてしまいます
 これは ミクロな分子での現象と マクロな現象との違いですが、温度が高いのに凍りつくという異なった現象ですが 矛盾しているわけではありません  ですから 水の深さで密度は同じでもなぜ熱いわけではないのか? という回答は 次のようになります
 実際は 密度が違うわけではなく ぶつかり合って推しあうためにちかずけない(つまり あまり密度的には変わらないように見える)すぐぶつかり合うために その自由平均行程も短く 分子の動きもほとんど早くならない むしろ 動きを制限されて 低下?(スピードが遅いことは 温度が低いということ)でも ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる
 ということです。
 ミクロでの意味と マクロでの現象 それらの違いや認識をしっかり把握すると 疑問も解けるのではないかと思います もっとも このような 疑問にたどり着かない人も大勢いるので 悩むだけ理解の入り口に到達しているといえるかもしれませんね。
 わかりやすい説明になっているかどうかはわかりませんが 参考にしてもらえれば幸いです。
 
 
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この回答へのお礼

解説ありがとうございます。お礼が遅れて申し訳ありませんでした。
ご説明を要約すると「下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくくなっていて、自由平均行程も短く、ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる」ということになるのでしょうか?
要するに水の密度に原因がある、とおっしゃっておられるようですが、私には水の上下の密度差がそのまま圧力差になるほど大きくないように思えてならないのです。そのあたりをもっと理解したいと願っています。

お礼日時:2008/12/25 14:33

まず、訂正から・・。



× 非圧縮生の理想流体 → ○ 非圧縮性の理想流体

次に考え方の説明ですが、現代物理において力Fという概念は既に意味を失っている訳なんですよ・・。もちろん圧力ということから気体分子運動論のような効果を狙っておられるのだと察しますが逆に言えば気体のようなもろ圧縮性の流体内においても上下の圧力差からは説明できないと存じます。室内の2mぐらいで上下に浮力を説明するだけの有意の圧力差が生じているとは思えないです。気体の場合は分子運動だけで決まっているので水圧のように深さで決まっているのじゃないですから・・。

同じ1気圧ではないでしょうか?
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多くの人が「重力場のポテンシャルが存在すれば上下の力が釣り合っていたとしても準静的に移動する」ということに理解がないようですね?



非圧縮生の理想流体でも浮力現象は起こると思いますよ!
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No41さんへの補足です 正確に言うと 水(液体)は 非圧縮性ではありません 圧力により極わずかですが体積も減少しています 私的には No1 と No 4さん および No 9 さんの回答が正しいと考えています また わかりやすいかもしれません 


 結局のところ 衝突回数が増えることで 圧力変化として表れているということです(分子密度が 増えているわけでもなく 速度があがっているわけでもなく=もっとも 密度が増えていないというのは間違いで 極わずかに密度が増えてそれが衝突回数の変化として表れているというのが正確です 密度が見かけ上増えなくても衝突回数が増えるということは 実質的に分子が増えたことに相当します そう考えると圧力は分子運動の平均値として表れるので 圧力差が生じます 分子の速度が変わっているわけでもないので=厳密には変わっているはずですが=温度も(わかるほど)変化しているわけでもない ということで ミクロ的にもマクロ的にも説明はつきます

 
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>ご説明を要約すると「下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくくなっていて、自由平均行程も短く、ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる」ということになるのでしょうか?


要するに水の密度に原因がある、とおっしゃっておられるようですが、私には水の上下の密度差がそのまま圧力差になるほど大きくないように思えてならないのです。そのあたりをもっと理解したいと願っています。

お気持ちは察しますが、僕としては「その考え方で粘っていても浮力には絶対にならない!」というのが正しい答えだと思いますよ・・。
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例えば ガラスのコップを水に入れたとしてください。

 ガラスの比重は水より重いのですが、コップが空の場合 浮きます。 でも 中に水を満たせば 当然沈みます。 これと同じで 木の中にたくさんの空気
が入っているため 水の入っていないコップとおなじで 浮きます
(一派に枯れ木などは 乾燥しているため そのような状態になります) もっとも 生木だったりすると 中はたくさんの水分で満たされているので 当然沈みます。 木だから 必ず浮くわけではありません
 その押しのける体積と同じ水の量と比べた重さの比を 比重といいます 水は凍ると体積が増えるので 比重は軽く 従って 浮き 木を構成している物質は比重は 水より重いので沈んで当然なのですが 最初に述べたように 中に空気があるので(体積としては 大きくなっていて)全体の比重は水より軽いわけです だから 浮きます
 鉄は 水に入れると 間違いなく沈みますよね では 船は? 鉄で大きな箱を作って 体積を大きくし 結果 比重を軽くしているわけです だから 浸水しない限り 沈みません

 おそらく ボイル・シャルルの法則などの意味を少し考えすぎているのではないでしょうか? この疑問には 分子などの運動を考慮する必要などはありません。 少しでも お役に立てたらさいわいです 
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質問者の疑問はご尤もなことだというか、私自身がそれで悩んでいた時期が結構長くあるぐらい、なんですよ!



だから「そんなことを必要としない実学的知見が浮力の本質である」ということだって納得したいという強い気持ちは良く分かるんです!
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もちろんアルキメデスの原理やパスカルの原理を使えるならそれで良いんですけど、いちおう純粋な微視的な基礎にした場合に「水の分子運動は

無関係で強いて言えば流体の性質を持っていればそれで良い」という手形と、もう一つは「水分子相互のバネから浮力は計算できない」という手形の二つを落とさなければいけないでしょう!
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なんだか良く判らんが、無理やり難しく捻らなくてはならん…みたいな


約束があるの?
仲間内でそういう遊びはやるけど、こんな場所でやる事ないよねぇ??

アルキメデスの原理じゃだめ?
もしくは水も木も等しく重力に引っ張られてるんだが、水の方が比重が
重い(重力に引っ張られやすいから)下に沈み、結果として木は浮く。
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次のように浮力現象は「上下の圧力がまったく同一であっても動く《準静的移動》である」なのではないですか?無重力宇宙船の中で実験すれば分かると思います。



1)封入された気体が壁に及ぼす圧力は一定

2)中にあるヘリウムガス風船に及ぼす圧力も一定

3)宇宙船が一方向に加速すればヘリウムガス風船は動き出す

4)3)が気体中における浮力現象の実際であろう!

5)加速度は重力場と同一であることが一般相対性理論によって証明されている・・

6)加速度によって生じるであろう船内の気圧ムラにしても結果であって原因では無かろう?

以上のように気体の場合ですら浮力の原因は上下の圧力差とばかりは言えない状況にあります。
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洗面器を上から押すと、お湯を押しのけるのに結構力が要りますよね?
これは、洗面器に押しのけられたお湯が、元に戻ろうとして洗面器を押し返しているんです。
この、押し返す力=押しのけられたお湯の量=押しのけられた水の重さと洗面器の重さを比べてみて、洗面器のほうが重ければ沈みますし、軽ければ浮かびます。
鉄の船は、中が空洞になっていますから、実際には押しのけている水の量よりも、だいぶ軽いんです。
だから、半分浮いて半分沈んでます。
中の空洞に鉄のかたまりを詰め込めば、押しのけた水よりも重くなってしまって、沈んでしまいます。

Q小4の自由研究で浮力について調べました。

夏休みの理科の自由研究で くだものの浮き沈みについて実験してみました。
バナナ、リンゴ、キウイ、スイカ、レモン・・・・などを
そのまま、半分に切る、皮をむく、皮をむいて凍らせる・・・
をそれぞれ調べました。

参考資料ではバナナはそのままだと浮くけれど、皮をむいたら沈む・・・とありますが なぜか浮いています・・・
熟したせいでしょうか? あした新しいものを買って再挑戦してみますが。。。

体積と浮力の関係を うまく導いてやれません。
重さ・とも違うのは判ったようですが・・・・

どなたか教えていただけませんか?
子どもの研究に親が・・・という意見はごもっともですが 親が導いてやることで 参加する形でもいいかな~とゆるく考えているので。
どうぞよろしくお願いいたします。

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今までは、水の中に入れる物で質量や浮力について研究してるのだと思いますが、今度は水の質量をかえてみたらどうですか?
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水の中にタマゴを入れます(ここで浮いてしまったら他のタマゴに交換してください)。
最初は沈んでいるタマゴですけど、それから塩をどんどん水に溶かしていきます、すると・・・(実験してください)・・・になります。
水の質量を重くするのは先ほどの実験のようにできますが、軽くするやり方は、水を温めれば、軽くなります。
これを利用した温度計もあります。(ガリレオの温度計など)
でも、水を量りの上にのせて暖めると軽くなりません、どうしてかと言うと、水の質量は軽くなったのですが、水の体積が増えたからです。
水以外にも温めることで、質量が軽くなり、体積が増えます。
鉄でも同じ事です、例えば電車の線路は、鉄でできてますよね、この線路が夏になると体積が増えて長くなるのです、普通は伸びてもいいように線路のつなぎめに、すき間を空けるのですが、あんまり暑いと・・・(下のURL)つい最近の出来事です。

参考URL:http://www.nishinippon.co.jp/nnp/national/20070815/20070815_023.shtml

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