水の中で木が浮く理由

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？

No.34 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/27 10:37

つまり問題は「静水圧を静水圧たらしめている根源は何であるか？」という疑問命題なんですよ・・、で、ここで無重力空間を考えてみますれば「容器に封入した気体の気圧は分子運動論で説明のつく温度と体積と物質量をパラメーターとした状態方程式ｐｖ＝ｎＲＴで証明されますよ・・、ですが液体の場合には重力の作用なしに水圧と言うことは生じないんです！

これは「無重力状態における宇宙実験で結果が出る」と思うんです・・。

No.33 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/26 08:59

根本的な解決策としては「静水圧が重力ポテンシャルの所産であることを一般相対性理論の公式を使って数学的に証明する」事ができれば必要にして十分です、もちろん私は手がけやしませんが・・。

少なくとも《力概念Ｆ》を実体とした物理学では証明不可能だと存じます！その場合に分子運動の表現は水の構成要素が波動関数で表されることに出てくるかもしれません。ですが流動することの表現はどうするのでしょうかね。やっぱり馬鹿馬鹿しいですから従来通りのアドホックな説明の方が優れている程度の実用科学だと思うのです。《パスカルの原理》が純粋な物理学じゃなくて工学原理的な程度の物だったとしても諦めるべきではないでしょうか。あるいは理学的な見地からも原理なんですかね、よく知りませんが・・。水分子相互のバネ弾性は不用でしょう。

No.32 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/25 18:06

さらに難しい話にしますと、液体ヘリウム中の浮力であるとか、ボース凝縮中の浮力であるとか、連続流体を仮定した浮力であるとか、いずれの場合であったとしても「重力現象」であることだけは疑う必要がないと存じます！

細かい基礎と言った場合には重力場の方程式を内包することが絶対に必要ですから、ま、馬鹿馬鹿しいという理由で誰も手をつけない、すなわち「浮力こそプラグマティックな概念であるに過ぎない」という結論が得られます！

No.31 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/25 17:33

小難しい話を整理しますと、

１）分子運動原因説
２）水分子の弾性反発力説
３）重力場の直接関与説

このうち、１）と２）とはそれぞれalternativeに「どちらが無くても浮力は有る」と言えるわけですから、３）が正しいと言っておるのです！

No.30 回答者： kigurumi 回答日時： 2008/11/25 17:02

小難しいことはわかりませんが、、、

私は木の中に空気が入っていて、空気は水に入ると水より軽いので、水面下に出るので、浮力がつくからだと思っていました。

ダイビングをするとき、錘をつけますが、それだけじゃ沈まず、肺の空気をふーっと出すことで、どんどん沈んでいきます。
水圧により、肺の容積が小さくなるんだったと思います。



で、タンクの空気を吸うと、肺の中に空気が入り、浮力になり、一気に上昇するかというと、水圧で肺は小さくなっているので、空気の入る容積は小さいので、一気には上昇しない。

一気に上昇すると肺が破裂してしまう。
空気の容量が、水圧が低くなると、大きくなるから。

吸って吐くのを調整すると、水中で沈みもせず、浮きもしなくなる。

で、もっと下に下りたければ、均衡状態を破るために、またふーーっと静かに吐く。

急激に吐くと、一気に下降して、耳抜きが間に合わなり、破れてしまう。


水に浮く木だって、深度のあるところに置くと、水圧により、沈むと思います。
木の中に入っている空気が圧縮され容積が小さくなるからだと思います。
その前に水圧で、穴から水が入って空気を追い出すでしょうけど。

No.29 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/25 16:33

かくして浮力は重力場による直接の作用によります！

「回りよりも軽い物が上昇したら重心が低下する落下現象です」

重力場中における分子間バネは“測定結果にあたる”ものであって原因じゃございません！

分子間バネの有無にかかわらず浮力は存在できます・・。

No.28 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/25 16:20

副次的な効果に過ぎない「水の分子運動」にしてもバネ弾性を否定して水分子を剛体で近似した場合には「その場所を退いて浮力現象を妨げない」という意味だけでなく「積み上げた剛体が鉛直下向きにしか力を伝えないのに対してあらゆる方向を向く」という意味ぐらいはあるでしょう、つまり「バネ弾性を仮定しなくても浮力は存在できる」と証言するぐらいの意味ならばあります！

これらは「微視的な基礎で浮力を論じても結論は出ない」という事を意味しており、やはり「重力ポテンシャルが直接に作用した結果」だということです・・。

No.27 回答者： buturikyou 回答日時： 2008/11/25 15:58

私はとにかく「砂粒にピンポン球にを埋めて振動を与える実験」によって「分子運動が原因だ」ということを止めてくれたらそれでいいんです。

水分子間のバネによるとしても、それは重力を伝えていくのであって、分子運動は副次的な「その場所を移動する」という意味合いしかないことさえ分かれば理解に達したと思うんです！バネばかりのバネと同じ事であって分子運動がぶつかるからという気体分子運動論と同質に考えるのは間違いだとご確認ください・・。

砂時計の話はあの動きしかしない砂粒が器壁を垂直に押すことがないことは確かですが水圧で壊れるかどうかは実験してみなければ何ともいえません。

No.26 回答者： iceage2008 回答日時： 2008/11/25 09:16

すみません。

訂正です。

X　つまり、No.24の方が引用されている、ビリアル定理から導かれ

O　つまり、No.9の方が引用されている、ビリアル定理から導かれ

失礼しました。

No.25 回答者： iceage2008 回答日時： 2008/11/24 20:15

初めて投稿します。

興味深い議論だと思います。たのしく拝見させていただきました。
私としては、No.9の方の回答に強く関心を持ちました。

No.24の方の以前からの教科書的な扱い方にも、少なからず同感するところがあります。

＞「剛体を積み上げたら床や地面に重力は働かないのですか？」
というNo.24の方の提言には考えさせられます。

ただ、私は剛体の思考実験としては、砂時計の話が連想で思い浮かびました。島根県に巨大な砂時計があるそうですが、砂粒の通り抜けるガラス管部分付近には砂の重力による莫大な力がかかるのかとといえば、そうでもないらしいですね。剛体的な砂粒にかかる力は適当に分散されて砂時計の容器に受け止められているそうです。
この砂時計に水を満たしたら、細くなったガラス管部分付近は圧力に耐えられず壊れてしまうでしょう。

ここで議論になっている浮力の正体を考えるためには、流体的な物質の現象をさらに突き詰めて、分子運動論に行き着くのではないかと思います。
つまり、No.24の方が引用されている、ビリアル定理から導かれる分子運動による圧力の式の第2項の水分子間の斥力（の平均化されたもの）に求めるべきではないでしょうか。
もちろんその圧力（分子間斥力）は、その深さでの上方にある水の重量（重力によるポテンシャルエネルギー）から生じているはずです。

浮力は、その物体が押しのけた流体の重さに等しい量を持ちます。
ちょっと砕いた表現を使うと、深さの差に相当する圧力差がその正体になると何人もの方が述べておられる通りです。

深海では、かなり強烈な水圧が作用していると思いますが、それは分子間の斥力（「水分子(間）のバネの力」）によっていると思います。
そんな深海でも、浮力は深さ方向の圧力差で決まり、物体の押しのけた流体の重さに等しくなっていると思います。

ということで、水分子間の斥力を主体とした圧力を浮力の正体と考えるのは、いいのではありませんか。