大気圧について

Question

不大気圧って空気の重さですよね。大気圏までの空気の柱の重さだと思うのですが、山は気圧が低いのは、上に上がった分の空気の圧力が減ったからでしょうか？

また、家にいるときは、天井がありますから、空気の重さが天井で抑えられて、外にいる時よりも空気の重さ、圧力が減るような気がするのですが、実際はどうなんでしょうか？

Quarks · Accepted Answer

>下からも力が働いて釣り合っているので、人間は空気の重さを感じないんですね。

はい、そうなのです。

>ニュートン力学でいう反作用のことなのかなと思いました。

いえ、反作用ではありません。

私達地球人は生まれてこの方、この"空気の重さ"に晒されているので、感じないのです。
…でも、いくら四六時中その"重さ"に晒されているから感じないのだと言われても、なるほどとは思わないでしょうね。軽く皮膚を押しただけでも押された感覚が生じるのに、10(t)もの重さを感じないでいるなんて、いくら"慣れてるんですよ"と言われてもなかなか納得できないのではないでしょうか。
　
やはり、この辺の違和感も解消しなければならないでしょうか。いままでのお話では、大気圧を、"空気柱"の重さに起因するものという、いわば巨視的なレベルでの解釈を行ってきました。もちろん、ごまかしなどは有りませんから、それで納得できるなら良いのです。
しかし、空気は酸素分子や窒素分子の集合体であって、分子は自由に動き回っています。これらの分子の振る舞いから、大気圧を説明することもできます。そして、その説明の後なら"10(t)の重さ"を感じないでいられる理由が分かってもらえるかも。では、始めましょう。
　
(1)気体分子が壁にぶつかったら…
軽い板を用意したとしましょう。子供を数百人呼びます。彼等にはソフトボールを渡しておきます。あなたは、板を垂直に立て、倒れないように支えてください。子供達は一斉に板に向かってボールを投げつけます。ボールがぶつかるときの衝撃で壁が倒れないよう、あなたは壁をしっかり支えていなければならないことが想像できますよね。この衝撃こそが、大気圧の正体なのです。板が容器の壁、ソフトボールが空気の分子だと考えれば納得できるでしょう？空気分子はそれこそ無数に有り、どれもが絶えず走っています。或るものは東へ別の或るものは上空へ…みな、てんでんばらばらな方向に進んでいます。そして、何かにぶつかれば跳ね返ってきます。ソフトボールと違って、跳ね返っても、速さは変わらないようです。もし遅くなるようなら、いつしか空気分子は止まり地面に積もってしまうでしょうが、私達はそんな光景を見たことがありませんから、分子は止まらないと考えるのが自然です。衝撃を受けた壁を見て我々は壁には圧力が生じていると感じるわけです。分子が壁にぶつかることで大気圧が発生する。ですから、壁面が水平に置かれていても、そうではなくどんなに傾いていても、それに掛かる圧力は同じ。両面での違いも無いことは、明らかでしょう？
(2)気体分子の速さは、そのときの気温で決まっている…
ぶつかったときの衝撃の強さは、粒の質量と速さとで決まります。空気分子は小さいとはいえ質量は０ではありません。１個の衝撃はきわめて小さいでしょうが、数が多ければ、それなりのものになるはずです。１[気圧]の場合なら１[m^3]あたり、10^25個のオーダーですから、衝撃ははっきりと観察されるレベルになります。速さは気温によって決まっていることが分かっています。20℃程度の空気でしたら、200[m/s]くらいです。ものすごい速さですね…。
１[m^3]あたり、10^25個の分子が200[m/s]くらいの速さで壁面にぶつかったときの衝撃による圧力が、ほぼ１[気圧]という圧力なのですね。
(3)地表付近で受ける大気圧とは…
大気圧の大きさは、分子の個数(正確には密度)と速さで決まってしまいます。速さは地表付近でも上空でもあまり違わないと仮定すると、地表と山頂とで大気圧が違うのは、空気分子の密度です。上空は空気が希薄になっていますから、結果大気圧は小さくなるのです。

私達の皮膚にも、空気分子はぶつかってきています。それによって大気圧を感じるわけです。どうでしょうか？皮膚には、極々軽い分子が、ぶつかってきては跳ね返っています。それが大気圧。これなら、痛くも痒くもないですよね。

Quarks · Answer

>ドアの下の隙間から風が入ってくるとがありますが、これは中と外の気圧を等しくしようと空気の流れがおきてるからでしょうか？

そのとおりです。たとえば、換気扇を回して室内の空気を排気していると、ドアの隙間などから風が入ってきますね。これなどはまさに部屋の内外の気圧を等しくしようとして空気の流れが発生しているのです。排気されることによって、室内の気圧は低くなりますから、ドアの隙間の部分で、外の圧力＞中の圧力 となり、外から空気が流れ込んでくるわけです。

>家の空気の密度の方が高いんでしょうか？
気圧が外と中で等しいなら、外は大気圏までの空気、中は天井までの空気ってことで重さを等しくするためには、大気圏までの空気の高さ分を天井までのわずかな距離に圧縮して全部おしこまなきゃいけない

元々の疑問が、天井が、それより上の空気層を支えているから、床に掛かる大気圧は天井から床までの空気の重さによる、という考えに基づいているようですが、これは根本的に誤解ですから、この際しっかり誤解を解いておきましょう。
結論を先に書けば、密閉されていない容器（家屋も同じです）の場合、床面に掛かる圧力は、天井や壁が有るか無いかにかかわらず、床面から大気圏の最上層までの空気の重さに起因する圧力に等しいのです。また、同じ高度なら、室内であろうと室外であろうと、空気の密度は同じです。

思考実験してみましょう。何も無い広場に立って大気圧を観測しましょう。地面に１m^2の四角形Ｓを描いてみます。この四角形の土地には、おおよそ１０(t)の空気がずっしりと載っていますから、その重さで地面はぎゅうぎゅう押されています。これを私たちは、地面に１[気圧]の大気圧が掛かっていると理解します。しかし、この圧力は真下向きだけではなく、横方向にも掛かっていることはご存じですね。地面にＳの縁に沿って南北方向の壁を１面立ててみます。この壁面にも、１[気圧]の大気圧が掛かっているのでしたね。壁は１枚だけですから、壁の東の面でも西の面でも同じ圧力でしょう？どちらの面も完全に対等ですから、差が有ると考える方が不自然です。ついでに、壁の東西で、空気の密度が違うなどということもないですね。次にもう一枚壁を追加してみます。Ｓに沿って東西方向の壁です。この壁を追加したらＳの気圧は変化するでしょうか？　空気の密度は変化しますか？　しませんよね。だとしたら、Ｓの縁に沿って次々と４枚の壁を立てても、Ｓの気圧は１[気圧]のままですし、密度もずっと変わらないということが認められるでしょう。以上から、大気圧を考える際には、土地の面積に依存しないということが結論づけられます。だって、Ｓと、そのまわりの広大な土地とでは面積が全然違うのに同じ大気圧なのですから。別の言い方をすれば、壁の有る無しは大気圧を考える際には考慮する必要がないということです。
では、Ｓの周囲の壁は取り去ってしまいましょう。そのうえで、１m^2の面積の、重さのない板を用意します。あなたは、Ｓの中に立って、板を頭上に掲げます。板は水平に保つのです。どうですか？空気の重さを感じますか？板の重さが無いなら力を全く感じないでしょう？空気は10(t)の重さなのに、あなたはそんな重さを板に感じないはずです。板の上にはまぎれもなく空気がずっしりと載っているはずなのに…　なぜなのでしょうか？上から巨大な力(10(t)分の重さ、Ｆと書きます)が掛かっているのに、それを感じないのは、板には下から上に向かってＦと同じ大きさの力が働いていて上からの力を打ち消しているからだと考えるしかありません。この、押し上げる力はあなたに原因があるのではないですよね、だって、あなたは板を持ち上げるのに全く力を加えていないのですから。とすれば、上向きの力の原因は空気に求めるしかありません。つまり、板の上面も下面も、同じ大気圧を受けているということです。ちょうど鉛直な壁の両面が同じ大気圧を受けているのと同じです。以上のことから、大気圧は、あらゆる方向に作用すること、仮想的に板を想定すると、その板がどんな向きであろうと、その両面に掛かる大気圧は常に同じだということです。
もう一度、Ｓに戻りましょう。１m^2の軽い壁を１枚、Ｓの縁に設置しましょう。Ｓに掛かる圧力はＳ上の空気層の重さに起因するのでしたね。壁を少し内側に傾けてみましょう。Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？どんどん壁を傾けていきましょう。Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？どんどん壁を傾けていって、９０度傾けたら…　Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？　そう、Ｓに掛かる圧力を考えるときには、こんな板は有っても無くても全く関係ないのです。つまり、Ｓに掛かる大気圧は、Ｓの上層にどんなに天井・屋根があっても同じなのです。空気の密度が変わることもありません。これは、天井から下の空気の重さがＳに掛かる大気圧を生み出していると考えてはいけないということを教えていませんか？

Quarks · Answer

回答者No.1です。
>横方向からも気圧の圧力がかかるのは知っていたのですが、横にも壁があるので力が遮られるような気がするのです。

完全に外気と遮断されているなら、話は別になりますね。密閉容器に空気を閉じ込めた場合、容器内の圧力は、外気圧とは基本的に無関係になりますね。
　
これに対して、普通の家屋の場合は、どこかしらに"隙間"がありますから、そこを通して空気が出入りすることは可能な状況ですよね。そんな普通の家屋で、風も無いのに、空気が外から吹き込んでくるということは無いわけで、これは、家の外と中とで気圧が等しいからだと解釈できるはずです。

壁、天井、床で囲まれた内部の空間の圧力が小さくて、家の壁や天井や床が、外気の圧力によって、内側に押されて潰されたなんて話は聞いたことが無いでしょう？　ペラペラの紙で箱を作ったら、外気圧で潰れたなんていうことも無いです。
ついでですが、もう少し数値で示してみます。空気の重さは思いのほか巨大なのです。地表付近(普通の家屋の屋根の上でも、"地表付近"ですよ)では、面積１m^2当たりにおおよそ１０(トン)※の質量を載せた程になります。普通の家屋だと、あっと言う間に潰れてしまいますよ。

※　1[気圧]≒10^5[N/(m^2)]
10^5[N]≒10^4[kg]・9.8[m/(s^2)]
10^4[kg]＝10[t]

psytex · Answer

水圧と大気圧は同じ原理です。
深くもぐれば水圧は高まるし、山に登れば気圧は下がります。
（ちなみに水圧にも気圧は加算されています）
パスカルの原理というのがあり、水をつめたボールを押した時、
その圧力はボールの全表面に等しく伝わります。
水中に箱を沈めても、その中の水圧は変わらないのと同じです。
ただし、その「箱」を潜水艦のように気密性の高い構造にすれば、
その中の「圧力」は、周囲の影響を受けなくなります。

majiska · Answer

大気圏を海だとおきかえて考えてみるつまり空気を水とする
とわかりやすいです、

家の中だと大気圧が天井に遮られるとおっしゃっていましたが、



海底(地上)に家があるとします。普通に考えて家の中の水圧(大気圧)は家の外の水圧(大気圧)と同じになりますよね。


天井があっても、
家の内外の水圧は変わらないですよね、
また、天井がある家の中だけ水圧が低いなんてことはないですよね。

これは水が家の中に入り込んで来ることにより、
外の水圧が中に伝わるからです。


ちなみに大気圧も水圧も
上からだけの圧力でなく、四方八方からの圧力です。

Quarks · Answer

ご推察のとおり、高い位置ほど、その高さより上にある空気の重さが小さくなるので、気圧が下がるのです。
　
一方、"天井が空気の重さを支えているから…"というのは、成り立たないです。
イメージして欲しいのですが、地球大気に、空気の柱を考えてみましょう。たとえば地面の１m^2の土地の上に乗っかっている空気の柱です。地面の１m^2の面積にこの空気柱の重さが掛かっているので、地面には大気圧が掛かっているということが観察されるのですね。ところで、この空気柱ですが、これ以外の空気をすべて取っ払ったらどうなるでしょうか？そう、周りに広がる(拡散してしまう)はずですよね。ということは、空気柱には、周囲から横方向にぎゅうぎゅう押している力が掛かっていて、拡散しないようになっていると考えるべきなのです。この力は、周りの空気からの圧力に起因するのは明らかです。そしてもちろん、注目している空気柱もまた、周囲の空気に圧力を掛けて、押しているはずなのですね。これは、空気の重さに起因する圧力は、下方向だけでなくて、横方向にも（いや、あらゆる方向にも、ですね）働いていると考えるべきだということになります。
ですから、天井で上に載っている空気の重さを支えているように見えても、横方向などからも圧力を受けているので、天井が有ろうと無かろうと、気圧が変化することは無いのです。

大気圧について

>下からも力が働いて釣り合っているので、人間は空気の重さを感じないんですね。

>ドアの下の隙間から風が入ってくるとがありますが、これは中と外の気圧を等しくしようと空気の流れがおきてるからでしょうか？

この回答への補足

回答者No.1です。

この回答への補足

水圧と大気圧は同じ原理です。

大気圏を海だとおきかえて考えてみるつまり空気を水とする

ご推察のとおり、高い位置ほど、その高さより上にある空気の重さが小さくなるので、気圧が下がるのです。

この回答への補足

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