子供から質問されて困っています。水圧は深ければ深いほど大きいと学びましたが、その原因は、ある深さの点において、その上にのしかかっている単位面積当たりの水の重さ(重力)のために力がかかっているので、深ければ深いほど重く、水圧が高いと学んだのですが、重力が原因なら、下向きに力がかかるのは納得できますが、横向きや上向きに圧力がかかるのはなぜなのしょうか。
もし、水は液体なので自由に形が変えられるため、横にも力がかかるということならば、力が分散されると思います。それにしても上向きに圧力がかかるのが納得がいきません。どうか専門的になってもいいので教えて下さい。

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A 回答 (3件)

水圧の発生原因として重力を考えています。


流体(気体や液体)は、押しつぶされると戻ろうとする性質があります。
この性質は押しつぶされている方向には関係なく、どの方向にも戻ろうとし、
その力(復元力)は押しつぶしている圧力と同じです。

つまり、小さな領域aを考えると、aは上にのしかかっている水の重力を受け、
押しつぶされます。
そして、このときaは元の体積に戻ろうとして、四方八方に広がろうとします。
このときのふけ源力は、aの上の水からの圧力に等しいので水圧が等方的になる
のです。

このような説明でおわかりになるでしょうか?
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地球の大気中も水中と同じようなもので,地上1気圧の場所で膨らませた風船は,風船内の気体の圧力が均一になるように丸く膨らみます。

大気から見れば,1気圧でまわりから均一に押さえられている状態です。この風船を気圧の低い上空(例えば富士山の頂上)に持っていくと,まわりからの押さえる力が小さくなり,風船は大きくなります。地上から上空までを水槽とたとえると,上空(水面)近くでは気圧(水圧)は小さく,地上に近い(深くなれば)気圧(水圧)は大きくなります。 水中に物を沈めると,物の体積分に相当する水の量を押しのけて入っているわけですからその分だけ,水はその物体を押さえようと反発します。 これが浮力で,密度が水より小さい物質であれば,水に浮きます。つまり上向きの力がかかっているわけです。
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素人ですが思い付いた理屈を聞いて下さい。


水中のある一点で上向きにも圧力がかかっている、という事についてですが、その一点より上にある水の重みの分をそこで支えている力があるわけです。これが上向きの水圧、ということではないでしょうか。たとえば水面からその位置までの長さの底のついた中空の筒を沈めておいて、底を抜いてやると当然水がせりあがってきますよね。これは上からの荷重が抜けた時に上向きの水圧が解放されたわけで、上向きの水圧が存在している証明になると思うのですが如何でしょうか。まわりの水が下がるから筒に水が上がってくる、って考えても、やはり底の部分に上向きの力がかかっている事には変わりありませんね。まあ、水圧が解放されて押し上げられる力が少し減ったから周りの水が下がる、という順序の方が正しいようには思いますが。
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Q圧力、流量、流速について

水の圧力について質問です。

配管のバルブを閉めれば水圧は下がりますか?
(例)
ポンプ 100t/h
水圧  0.5MPA
配管のバルブを半分まで閉止すると水圧はどれくらい下がるのでしょうか?
また流量、流速も変化するのでしょうか?
水圧、流量、流速の関係がいまいち分からないので教えてください。

Aベストアンサー

どこの水圧のことを仰っているのかわかりませんが。

どのくらい変わるかは、ポンプの特性、バルブの特性等々に
よって変わるので、回答できる方はいないかと思います。

ポンプの特性を、横軸に流量、縦軸に圧力でプロットすると
右下がりの曲線になります。
同じく配管全体の抵抗特性をプロットすると、ゼロ点を
通る右上がりの曲線になります。
この両者が交わった点の流量が配管を流れることになります。

バルブを閉めるということは、バルブでの抵抗が増加し、
配管全体の抵抗特性も傾きが急になる、ということを意味します。
つまりポンプの特性曲線と交わる点も、流量が低くなる方に
ずれ、つまりは流量が減るということになります。

バルブを閉めるとバルブの上流側の圧力は増加して、下流側の
圧力は下がることになるかと思います。

Q力は4種類(重力、電磁力、弱い力、強い力)か?

こんにちは、

力は、4種類(重力、電磁力、弱い力、強い力)なのでしょうか?
力の定義は、何でしょうか?

Aベストアンサー

 補足、承りました。#2です。

>「強い力と弱い力」(大栗先生著)を読みました。

 研究者個人が論文では言えないような予想を述べたものですね(論文ベースではツッコまれまくる)。ヒッグス場があるなら、他の場(電磁場、重力場)と同様、力を生じると考えたのでしょうか(私個人はおとぎ話のレベルと感じるので、割とどうでもいい)。

 とはいえ、ヒッグス粒子は標準理論を展開する上で、再出発点にすぎず、少なくとも標準理論が述べた素粒子には、それぞれ対になるものがあると考えられたりもしています。素粒子の数が少なくとも2倍あることなります(さらに、それで全部分かったとならないとも)。なんだか、延々と続いてしまいそうな感じもします。

>P74に、「ヒッグス粒子の発見は、3つの力と重力に続く「第5の力」の力が存在する証拠となったのです。」と記載あります。

 どんな力を考えているにせよ、さすがに証拠は言い過ぎでしょうね。標準理論の範囲内ですから、上述したようにアプローチの端緒程度だと思われます。標準理論では、まだ重力すら含まれていません。重力理論は外部理論扱いで、一般相対論と量子力学統合に四苦八苦している状況です。

 そのため、宇宙の始まりのときに四つの力が一つだったということすら、ある程度は分かるといった程度の予想でしかありません。

>統一理論は、重力で完成せず、「第5の力」も、含める必要があるのでしょうか?

 電磁気力と弱い力の統合までは成功していますね(二つ合わせて電弱力と呼ばれる)。それ以上の統一理論はまだです。

 先に申したように遠距離に働く力として、少なくとも斥力はありそうです。理論的には、例えば一般相対論の宇宙項に対応すると予想されている。それが第5の力かどうかは、不確かです。一般相対論で斥力を表す宇宙項が、重力方程式に矛盾なく組み込めているのですから、電磁気力は正負対であるのと同様、重力には対となる斥力があるだけかもしれません。もしそうなら、斥力は第5の力にはならない可能性があります。

 長距離力(重力、電磁気力)自体が、実は存在していないとする理論展開もあったりします。よく聞くのはホログラフィー説ですね。この空間は3次元ですが、空間2次元の世界の投影がこの世界であるとするものです。

 元の2次元世界ですが、物理理論が同じく通用するとすると、2次元では遠距離力は物体間に作用しません。大雑把に申し上げると、空間の次元の数だけ長距離力が強くなるためです。そのため、空間4次元以上では強すぎて、例えば恒星を回る惑星は円軌道以外は無理だったりする)。「この宇宙があるのも3次元空間であるお蔭だ」と言われたりします。

 ホログラフィー説は、そんな簡単な話ではないものの、重力を考える必要がないとしています。少なくとも物体間には働かなくていい。すると、今四苦八苦している量子力学と一般相対論の統合も不要になるかもしれません。重力が事実上ないですから。

 すると、四つの力から、むしろ減ってしまうこともあり得ます。未解明の部分がいろいろあるため、「言った者勝ち」みたいな感じです。さらに、数学的記述もアプローチ次第です(ホログラフィー説は、単なる数学上のテクニックと考えることも可能)。つまり、説明次第では4つの力以外もあり得ます(現在ある説明を捨てる理由は今のところないけど、どうしても行き詰るようなら、他が出る可能性もなくはない)。

 補足、承りました。#2です。

>「強い力と弱い力」(大栗先生著)を読みました。

 研究者個人が論文では言えないような予想を述べたものですね(論文ベースではツッコまれまくる)。ヒッグス場があるなら、他の場(電磁場、重力場)と同様、力を生じると考えたのでしょうか(私個人はおとぎ話のレベルと感じるので、割とどうでもいい)。

 とはいえ、ヒッグス粒子は標準理論を展開する上で、再出発点にすぎず、少なくとも標準理論が述べた素粒子には、それぞれ対になるものがあると考えられたりもしています...続きを読む

Q管内に流れる液体の流速について

生物学を勉強している者です。

管内を流れる流体の速度は、流す圧力(流れ方向)とずり応力(逆方向)の釣り合いなどによって決まるそうですが、流す圧力と流速の関係の計算式はありますでしょうか。 具体的に言うと流す圧力をあげ続けると、そのうち中心の流速は一定になるのか?逆にずり応力があがって中心の流速は下がってしまうのか?を知りたいです。

また、管内を流れる場合は、壁側ではずり応力によって流速が遅く、中心では流速が速いそうですが、流す水圧をあげ続けた場合、流速の差は広がるのでしょうか?逆に縮まるのでしょうか?

物理学は完全に専門外なので、トンチンカンな質問かもしれませんが、よろしくお願いします。

Aベストアンサー

回答ではありません。
血液粘性に付いて分かり易く説明した講座ノートが
有りますので、一読されたらいかがでしょうか。
http://wwwsoc.nii.ac.jp/psj/jpsj/06607/066070234.pdf

生物学専攻の人にも分かり易い説明かと思います。
次のステップとしてハーゲンポアズユの式かと思います。

Q参考書にはポテンシャルの減る向きに力が働くとかいてあるのですが、グラフを見るとかかる力はポテンシャル

参考書にはポテンシャルの減る向きに力が働くとかいてあるのですが、グラフを見るとかかる力はポテンシャルと異符号になってないと思うのですが、参考書はどのようなことをのべているのでしょうか?
またグラフに書いてある斥力、引力というのもわからないのでお教えいただきたいです。

Aベストアンサー

1次元運動の話ですね.
力とポテンシャルの関係は
(1)  F(x) = -dV(x)/dx
です.右辺の負号に注意.
上のグラフが V(x),下のグラフが F(x) です.
x < x_1 では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) > 0.
x_1< x <x_2 では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) < 0.
x_2 < x では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) > 0.

いずれもポテンシャルの低い方に向かって力が働きます.
力 F(x) は(1)にあるように dV(x)/dx と異符号になっているのであって,
V(x) の符号とは全く関係ありません.
ポテンシャルは定数を加える自由度がありますので(ポテンシャルの基準点の選び方の自由度),
ポテンシャルの符号は余り意味がありません.
今の場合はポテンシャルの基準点は無限遠に取っていると思うべきでしょう.

斥力とは今の場合 F(x) > 0,すなわち原点(= 力の源がある点と思うのが妥当)
から遠ざかるように力が働くということです.
引力は F(x) < 0 で原点に近づくように力が働いています.

もう一度強調しますが,「ポテンシャルの減る向き」とはポテンシャルの符号(正負)ではなくて
x を変化させたとき「ポテンシャルの減る向き」です.

1次元運動の話ですね.
力とポテンシャルの関係は
(1)  F(x) = -dV(x)/dx
です.右辺の負号に注意.
上のグラフが V(x),下のグラフが F(x) です.
x < x_1 では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) > 0.
x_1< x <x_2 では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) < 0.
x_2 < x では dV(x)/dx < 0 ですから F(x) > 0.

いずれもポテンシャルの低い方に向かって力が働きます.
力 F(x) は(1)にあるように dV(x)/dx と異符号になっているのであって,
V(x) の符号とは全く関係ありません.
ポテンシャルは定数を加える自由度があ...続きを読む

Q金属配管の腐食と水の流速の関係について教えて下さい。 金属配管の腐食は水の流れが早いほどに腐食も早く

金属配管の腐食と水の流速の関係について教えて下さい。
金属配管の腐食は水の流れが早いほどに腐食も早くなるが、ある流速域では腐食速度が遅くなるみたいです。
この流速域とはどの程度の流れの速さなのでしょうか?
また、なぜ その流速域で金属の腐食速度が遅くなるのでしょうか?

Aベストアンサー

流速が遅い場合のデメリットは不純物の付着・堆積です。
スケール等が形状変化部等に付着しても流速が遅いので移動せず,その部分で腐食が
進行する場合があります。 流速が遅い場合は直管部でも堆積します。

配管設計(設計基準)では適正流速内になるように,配管サイズ,調節弁サイズを決定します。
流速が遅い場合に孔食とか隙間腐食という腐食形態が発生しやすいですね。
腐食損傷形態をみれば使用環境の問題点を判定できます。
サンプルを採って金属組織を顕微鏡で見れば更に明確になります。

使用環境の変更があった場合は寿命予測のやり直しが必要になります。
大手の企業でも管理がうまくいってない場合がありますね。
使用条件と設計基準が一致してない例が多いです。
腐食レートを見極めることで寿命予測はそんなに難しいことではありません。
配管系統の最も過酷な部位を追跡調査すれば開孔漏洩の時期が予測可能です。

勤めていたときは「トラブルが発生した場合はおまえの責任だ!」と言われ
特殊検査担当の私にプレッシャーを掛けられていました。

Q質量m、電荷Qの荷電粒子が、鉛直下向きに重力を受け、水平方向に強さEの一様な電場から力を受けている。

質量m、電荷Qの荷電粒子が、鉛直下向きに重力を受け、水平方向に強さEの一様な電場から力を受けている。荷電粒子を速さv水平との角θの方向に打ち出すとき、最大距離となるθを、逆三角関数、質量m、電荷Q、初速v、重力加速度gを用いて表せ。
初期位置(x0,y0)とする。

この問題がわかりません。
どなたか教えてください。

Aベストアンサー

進む距離f(θ)=Vcosθ・2Vsinθ/g + (QE/m)・(2Vsinθ/g)²/2
( 0<θ<π/2)
この関数はθ=0,π/2で0、0<θ<π/2の範囲で上に凸(証明略)

進む距離をθで微分して=0と置いて極大値(最大値)となるθを求める。

f'(θ)=(2V²/g)(cos²θ-sin²θ)+(4QEV²/mg²)sinθ・cosθ
=(2V²/g)cos2θ+(2QEV²/mg²)sin2θ=0
∴(2V²/g)cos2θ=-(2QEV²/mg²)sin2θ
両辺をcos2θで割る
(2V²/g)=-(2QEV²/mg²)tan2θ

tan2θ=-(2V²/g)/(2QEV²/mg²)

2θ=arctan(-(2V²/g)/(2QEV²/mg²))

θ=arctan{ -(2V²/g)/(2QEV²/mg²) }/2

途中計算間違いがあるかも知れない・・・

Q流速分布

ピトー管で流速を求めて流速分布のグラフを描くのですが縦軸と横軸に何を置けばいいのですか?

Aベストアンサー

普通は
 横軸が速度(主流方向の速度)
 縦軸が変位(主流に垂直な方向の変位)
ではないでしょうか?

速度分布の意味を考えれば自明だとおもいます.
窓をあければ,
窓の中央がもっとも風が強く,
窓枠のあたりは風が弱い…というのと同じでしょう.

Q慣性力についてです。写真の慣性力の力の分解についてですが、なんでcosが縦でsinが横なのですか?よ

慣性力についてです。写真の慣性力の力の分解についてですが、なんでcosが縦でsinが横なのですか?よく分からないのでだれか教えてください!

Aベストアンサー

角度 θ の取り方を確認してくださいね。

図の場合には、仰角(水平面からの角度)ではなく、鉛直方向となす角度です。
おそらく、重力の方向と、バスの加速度との合成ベクトルの方向を問題にしているので、そういう角度の取り方をしているのだと思いますよ。

Q加速度を持った流速測定

血流模擬ファントムの流速測定したいのですが教えてください。
スライダックで電圧を調整したジャバラで圧縮して押し出す方式のポンプ(拍動流を想定)の流速を測りたいのですがホースの直径、長さ、総流量、ジャバラの周期(ストップウォッチでジャバラが一番上になった時を測定する程度)は分かります。この程度で流速測定は出来るのでしょうか?出来るようでしたらご教授ください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

#1です.
粘性係数は,ポアズイユ流れとして扱うときに必要になります.
分かりにくい書き方をしてすみませんでした.
水の粘性係数でしたら,理科年表か,又はいまちょこっとぐぐってみましたら,
http://www4.ocn.ne.jp/~katonet/kagaku/water02.htm
など見付かりました.

粘性流体の管内層流では,管中心部で最も流速が早く,
管壁では(理想的には)流速0となります.
流体力学の教科書に載っていると思いますが,ウェブでも下記を見付けました.
http://irws.eng.niigata-u.ac.jp/~chem/itou/fl/fl7.html

ふと思いましたが,上記難しく考えすぎていたかも知れません.
ジャバラは,内部に流体がいっぱいになってから
押出すようになるのでしょうか.
もしそうだとすると,一番簡単には,

(平均流速)×(ジャバラ出口面積)=(ジャバラの体積)÷(ジャバラの周期)

でも良いのかなとも思いました.
上記は,右辺,左辺,共に単位は平均体積流量(m^3/s)です.
平均流速以外は,既知パラメータですね.
ここで平均流速を求めて,理想的に,上記のポアズイユ流とみなせば,
他の未知パラメータも求め得ります.

#1です.
粘性係数は,ポアズイユ流れとして扱うときに必要になります.
分かりにくい書き方をしてすみませんでした.
水の粘性係数でしたら,理科年表か,又はいまちょこっとぐぐってみましたら,
http://www4.ocn.ne.jp/~katonet/kagaku/water02.htm
など見付かりました.

粘性流体の管内層流では,管中心部で最も流速が早く,
管壁では(理想的には)流速0となります.
流体力学の教科書に載っていると思いますが,ウェブでも下記を見付けました.
http://irws.eng.niigata-u.ac.jp/~chem/itou/f...続きを読む

Q重心の初速度が(v,0)のとき 重力しか力がかかってないとすると 周速度はvになりますか?

重心の初速度が(v,0)のとき
重力しか力がかかってないとすると
周速度はvになりますか?

Aベストアンサー

前の質問に関連してということですか?
https://oshiete.goo.ne.jp/qa/9355771.html

上記と同じ条件で鳴れば、下記ということです。

・AにもBにも鉛直方向には重力が働く
  ↓
・他に外力がないので、重力は「重心」に「並進力」として働く

・A、Bには水平方向には力は働いていない
  ↓
・水平方向に初速度があるので、「重心」は等速度運動

・点Aは初速 (0, 0) 、点Bは初速 (2v, 0) なので、重心の初速は (v, 0)
  ↓
・重心を座標の原点にとれば(重心系)、点Aは左方向に v 、点Bは右方向に v の速度を持つ。
  ↓
・重心は静止しているので、これは重心を中心とする回転運動で、点A、Bにおける周速度が v 。


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