- 科目
- 流体力学
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- 止まっている流体
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- 01 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
水の量が2倍でも、底の圧力は同じ静水圧(深さと圧力)
止まっている水の圧力は深さだけで決まり、入れ物の形や水の量にはよらない(p = ρgh)。海では 10 m 潜るごとに約 100 kPa(大気圧1つ分)増え、水深 10 m の絶対圧は約 202 kPa で水面の2倍。高さ 30 m の給水塔の下では約 294 kPa(ゲージ圧)。

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この単元のポイント
- 止まっている水の圧力は、深さだけで決まる。入れ物の形や、水の量にはよらない。
- 海では、10 m 潜るごとに約 100 kPa(大気圧1つ分)増える。水深 10 m の絶対圧は約 202 kPaで、水面の2倍。
- 高さ 30 m の給水塔のいちばん下では、約 294 kPa(ゲージ圧)。式は 。
潜ると、耳が押される
プールの底に沈んだものを拾おうとして、深く潜ったことはありますか。2〜3 m 潜っただけで、耳の奥がぎゅっと押されるように感じます。
耳を押しているのは、まわりの水の圧力です。圧力は、面を押す力を、面の広さで割ったもの。単位は Pa(1 m² あたり 1 N)です。
では、深さ 10 m の海の中では、どれだけの圧力がかかっているのでしょうか。水の量が多い海と、細い筒の中では、同じ深さでも圧力は違うのでしょうか。
予想してから読む底の広さと水の深さが同じ、形の違う3つの入れ物があります。底の圧力がいちばん大きいのはどれ?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 海で水深 10 m |
|---|---|---|
| 深さ の水の圧力(ゲージ圧)[Pa] | 100.5 kPa | |
| 水の密度 [kg/m³] | 1025 kg/m³(海水) | |
| 重力加速度 [m/s²] | 9.807 m/s² | |
| 水面からの深さ [m] | 10 m |
水深 10 m の海では、まわりの空気の圧力(大気圧 101.3 kPa)に、水の分の 100.5 kPa が加わります。ほぼ同じ大きさです。
圧力は、上に載った水の重さ
1 m² の水の柱で考える
式の出どころを見ます。海の中の深さ 10 m の所に、1 m² の板を水平に置いたとします。板の上には、断面 1 m²・高さ 10 m の水の柱が載っています。
この柱の体積は 10 m³ で、海水の質量は 1 m³ あたり 1025 kg です。だから柱の質量は 10,250 kg。重さ(力)にすると、重力加速度 9.807 m/s² をかけて、100.5 kN です。
この力が 1 m² の板に載っているので、圧力は 100.5 kPa です。
- 柱の質量:密度 × 体積 =
- 柱の重さ:質量 × =
- 圧力:重さ ÷ 面積 =
最後の割り算で、板の面積 が消えます。板を 2 m² にしても、柱の重さが2倍になり、2 m² で割るので、圧力は同じです。
深さを、圧力に両替する
ベルヌーイの定理 で使う「財布の中身の両替」でいうと、水面から下りるほど、高さの分が圧力の分に両替されていきます。深さ 1 m の真水なら、9.79 kPa ずつです。
ゲージ圧と絶対圧
圧力計の多くは、まわりの空気の圧力を 0 として測ります。これをゲージ圧といいます。上の 100.5 kPa は、ゲージ圧です。
本当に何もない真空を 0 として測るのが絶対圧です。水面の上には空気があり、空気も水面を押しています。その分(大気圧 101.3 kPa)を足します。
水深 10 m の絶対圧は、約 202 kPa。水面(101.3 kPa)の2倍です。さらに 10 m 潜るごとに、大気圧1つ分ずつ増えていきます。
| 海の深さ | ゲージ圧 | 絶対圧 | 大気圧の何倍(絶対圧) |
|---|---|---|---|
| 0 m(水面) | 0 kPa | 101.3 kPa | 1倍 |
| 10 m | 100.5 kPa | 201.8 kPa | 1.99倍 |
| 20 m | 201.0 kPa | 302.4 kPa | 2.98倍 |
| 30 m | 301.6 kPa | 402.9 kPa | 3.98倍 |
ダイバーが吸う空気のボンベも、肺の中の空気も、この絶対圧で押し縮められます。気体の体積と絶対圧の関係は、熱力学の 気体の状態式(絶対圧と絶対温度) で扱います。数字に「ゲージ」か「絶対」かを書き添えるのは、このためです。
形を変えても、底の圧力は同じ
底の広さと深さが同じ、形の違う3つの入れ物に、水を入れて比べます。
上が広い入れ物には、筒の約2倍の水が入ります。それでも、底の圧力は3つとも同じ 2.94 kPa です。
水の量が多いのに、底の圧力が増えないのはなぜでしょうか。水は、触れている面を、いつも面に直角に押します。上が広い入れ物の斜めの壁は、水に押されると同時に、水を押し返して支えています。壁が支えた分だけ、水の重さは底に載りません。
上がすぼまった入れ物では、逆に、斜めの壁が水を下へ押し返します。だから、水が少なくても、底の圧力は筒と同じになります。
水の量と底の圧力が食い違って見えるので、この結果は「静水圧のパラドックス(逆説)」と呼ばれます。
給水塔の水は、30 m の深さで押す
街の高い所に立つ給水塔は、この性質を使っています。塔の上に水をためておくと、塔の下につながった管の中の水は、水面からの深さの分だけ圧力を持ちます。電気のポンプを回し続けなくても、家々へ水を送り出せます。
塔の水面が、管の出口より 30 m 高いとします。真水の密度 998.2 kg/m³ を使って、
約 294 kPa(ゲージ圧)、約 0.29 MPa です。
日本の水道では、配水管から各家への管が分かれる所の圧力に決まりがあります。水を使っているときでも 150 kPa を下回らないこと、水を止めたときでも 740 kPa を超えないこと(水道施設の技術的基準を定める省令)。30 m の給水塔の 294 kPa は、この範囲に入ります。150 kPa は、真水の柱にすると約 15 m 分です。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
- 何の液体か 1 m³ あたりの質量。海水は真水より 2.7% 重いので、同じ深さで圧力も 2.7% 大きくなります。
- 重さにする 質量に重力加速度をかけると、重さ(力)になります。地球の上では、ほぼ一定です。
- どれだけ深いか 水面から真下へ測った深さ。水平に動いても変わりません。
式の中に、面積・入れ物の形・水の量が入っていないことが、いちばん大事なところです。
どの数字がいちばん効く?
海の水深 10 m を基準に、それぞれを変えたときの圧力の変化を並べます。
| 変えるもの | ゲージ圧の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 深さ を10%深く | +10% | 深さに比例する |
| 海水を真水に替える | −2.6% | 密度の比 998.2 ÷ 1025 |
| 入れ物を2倍に広げる・形を変える | 0% | 式に面積も形も入っていない |
| 深さ10%(絶対圧で見たとき) | +5.0% | 大気圧の分は変わらないから |
効くのは深さだけです。絶対圧で見ると、変化の割合は、大気圧の分だけ薄まります。
つまり、ものを作るときは
つまり、ものを作るときは
水をせき止める壁は、深い所ほど強く作ります。ダムの断面が、下ほど厚い台形になっているのは、底に近いほど水の圧力が大きいからです。
水を高い所へためるときは、水面の高さで圧力が決まります。タンクを大きくしても、細くしても、同じ高さなら、出口の圧力は変わりません。
動かしてみよう
深さ のスライダーを動かすと、入れ物の底が下がり、右の2本の棒が伸び縮みします。赤い分(水の分)は、深さに比例します。絶対圧の棒の灰色(大気の分)は、どの深さでも同じです。
次に、入れ物の形を「上が広い」「上がすぼまる」に替えてみてください。水の量は変わっても、底の圧力の棒は動きません。
水の種類を真水にすると、同じ深さで、圧力が少しだけ小さくなります。
試してみよう0 / 3
- 深さは 10 m・海水のまま、入れ物の形を「上が広い」にする。水の量と、底の圧力の棒を見比べる(まだ)
- 海水のまま、深さ h を2倍の 20 m にする。絶対圧の棒が、大気圧の目盛りをいくつ越えるか見る(まだ)
- 水の種類を真水にして、深さを 30 m にする(高さ 30 m の給水塔の、いちばん下)(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 水の圧力(ゲージ圧)
- 深さ h の圧力(絶対圧)
- 絶対圧は大気圧の何倍か
- 入れ物の水の量(筒を 1 として)
途中の計算(導出)を見る
深さ h の水の圧力(ゲージ圧。上に載った水の重さ ÷ 底の面積)
絶対圧(大気圧の分を足す)
絶対圧は、大気圧の何倍か
入れ物の水の量(同じ底・同じ深さの筒を 1 として。上の幅が底の r 倍)
よくある勘違い
「水がたくさんあるほど、圧力が大きい」
大きなダム湖の底と、細い管の底を比べても、深さが同じなら圧力は同じです。水の量が効くのは、水全体の重さのほうで、圧力ではありません。
| 水の重さ | 底の圧力 | |
|---|---|---|
| 決めるもの | 水の量(体積) | 深さだけ |
| 上が広い入れ物にすると | 増える |
「水の圧力は、下向きにだけかかる」
同じ深さの所では、圧力は上下・左右どの向きにも同じ大きさで働きます。水槽の側面に穴をあけると、水が横へ飛び出すのは、横向きにも押されているからです(ベルヌーイの定理)。
「ゲージ圧と絶対圧は、どちらで言っても同じ」
水深 10 m の圧力は、ゲージ圧で 100.5 kPa、絶対圧で 201.8 kPa。約 2倍も違います。タイヤの空気圧や水道の水圧はゲージ圧、気体の体積の計算に使うのは絶対圧です。数字には、どちらかを書き添えます。
プールの底に戻る
プールで 2 m 潜ると、耳にかかる水の圧力は、ゲージ圧で 19.6 kPa です。1 cm² の面に、約 200 g のおもりを載せたのと同じです。耳の奥の鼓膜は、外から水に押され、内側の空気の圧力がそれに追いつくまで、押される感じが続きます。
この公式が使える条件
- 水が止まっている(流れていない)
- 液体の密度が、深さによらず一定(水はほとんど押し縮められない)
- 測る2か所が、同じ液体で、途中で切れずにつながっている
- 重力加速度が一定(地上の、高さ数 km までの範囲)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
薄い層を積み重ねる:水の中に、断面 ・厚さ の薄い水の層を考えます。層は止まっているので、上下から押す力と、層の重さが釣り合います。
左辺は下の面を押し上げる力、右辺は上の面を押し下げる力と層の重さです( は下向きに測った深さ)。両辺を で割ると、 が消えて、
深さが 増えるごとに、圧力は ずつ増えます。水面(ゲージ圧 0)から深さ まで積み重ねると、 です。
どの向きにも同じ:水の中に、斜めの面を持つ小さな三角柱を考えます。水は止まっていて、面にこすれる力(摩擦)は働かないので、どの面も、面に直角にだけ押されます。横向きと縦向きの力の釣り合いを書くと、三角柱を小さくした極限で、3つの面の圧力が等しくなります。面の傾きは何でもよいので、圧力は向きによりません。
形によらない:上の積み重ねは、どの縦の線の上でも同じです。だから同じ深さの点は、入れ物の形がどうであっても、同じ圧力になります。
例題
例題1 18 m 潜ったダイバー
ダイバーが、海で水面から 18 m の深さまで潜りました。海水の密度は 1025 kg/m³、大気圧は 101.3 kPa とします。
(1) ダイバーのまわりの水の圧力は、ゲージ圧でいくらですか。(2) 絶対圧はいくらで、大気圧の何倍ですか。(3) 1 cm² の面に、水面から何 kg の水が載っているのと同じですか(ゲージ圧の分)。
ヒント 1 / 2
ゲージ圧は 、絶対圧は、それに大気圧を足します。
ヒント 2 / 2
1 cm² は です。力 = 圧力 × 面積 を、 で割ると質量になります。
答えと解き方を見る
深さ h の水の圧力(ゲージ圧。上に載った水の重さ ÷ 底の面積)
絶対圧(大気圧の分を足す)
絶対圧は、大気圧の何倍か
入れ物の水の量(同じ底・同じ深さの筒を 1 として。上の幅が底の r 倍)
10 m 潜るごとに、大気圧1つ分(約 100 kPa)増えます。18 m なら、大気圧の分と合わせて 2.8 倍くらい、と見当がつきます。
1 cm² の面に載っている水の柱は、断面 1 cm²・高さ 18 m で、体積は 1.8 L です。海水 1.8 L の質量が、約 1.85 kg です。
例題2 マンションの屋上の水槽
マンションの屋上に水槽があり、各階の蛇口へ管で水を下ろしています。水槽の水面は、最上階の蛇口より 3 m、1階の蛇口より 24 m 高い所にあります。水の密度は 998.2 kg/m³ とし、蛇口は閉めているとします。
(1) 最上階と1階の蛇口にかかる水の圧力(ゲージ圧)は、それぞれいくらですか。(2) 1階の圧力は、最上階の何倍ですか。
ヒント 1 / 2
深さは、水槽の水面から蛇口までの高さの差です。
ヒント 2 / 2
圧力は深さに比例するので、比は と同じです。
答えと解き方を見る
圧力は、水面からの深さ(高さの差)だけで決まります。管が細くても、曲がっていても変わりません。
最上階の 29.4 kPa は、1階の 235 kPa の8分の1です。同じ水槽から引いた水でも、上の階ほどシャワーの勢いが弱くなりやすいのは、このためです。
例題3 入れ物の形と、底を押す力
底の面積が 0.02 m² の2つの入れ物に、同じ深さ 0.3 m まで水を入れました。一方はまっすぐな筒、もう一方は上が広がった形で、水の量は筒の 2.01 倍です。水の密度は 998.2 kg/m³ とします。
(1) どちらの入れ物も、底の圧力(ゲージ圧)はいくらですか。(2) 底を水が押す力は、それぞれいくらですか。(3) 上が広い入れ物の水の重さはいくらですか。(2) の力との差は、どこが支えていますか。
ヒント 1 / 2
底の圧力は、深さだけで決まります。形は関係ありません。
ヒント 2 / 2
筒の水の体積は です。
答えと解き方を見る
筒では、水の重さ 58.7 N と、底を押す力 58.7 N が等しくなります。
上が広い入れ物では、水の重さのうち、底を押す力をこえる 59.5 N を、斜めの壁が支えています。水は壁を、壁に直角に押すので、外へ開いた壁は、水に下向きに押されています。