力学

圧力・水圧・浮力

今回の補講では,力のところでやり残した部分を拾っていきます!

① 圧力

力学の本編ではいろいろな力について学びました。 重力,弾性力,摩擦力,etc…

力はすべて「◯力」という名称になっています。 漢字だけ見ると,圧力もこの仲間に加わりそうですが,それは大間違い!

圧力は力ではありません!!  圧力は圧力です。

重力や垂直抗力などの他の力と同じ時期に習うと,「圧力=力」と勘違いする人が出る恐れがあるため,あえて補講に回しました。

さて,力の大きさが同じでも,そのはたらき方が異なる場合があります。 たとえば画鋲(がびょう)に触れたとき,同じ大きさの力でも,平たい側に触るよりも,針先側を触った方が痛いです。

このような,力のはたらき方の差を表すのが圧力です。

画鋲の場合,針先に触ると痛いのは,力がすべて針先に集中しているから。 圧力は面積と大きく関係しているといえますね!

圧力が力ではないということは,単位がN(ニュートン)じゃないことからも明らかです。


② 水圧

圧力は気体関連のところでよく使いますが,それは熱の分野におまかせするとして,ここでは水中で受ける圧力について学びましょう。

水圧とは簡単に言えば,物体の上にのしかかる水の重さによる圧力です。 水面から深さ のところにある物体が受ける水圧を求めてみましょう。

面積 は約分されて消えるので,水圧は面積に無関係で,深さだけで決まる事がわかります。

上の計算の中には密度が登場しています。 どういうわけか密度を苦手とする人がいますが,質量 = 密度 × 体積だけ押さえればOKです!

(密度を表す文字は ρ(ロー)というギリシャ文字。アルファベットのpと似ているので気をつけること。)

ここで1つ注意点。 上の図だと,水圧は下向きにかかっているように見えますが,実際には全方向からかかります。

③ 浮力

さて,圧力は力ではありませんが,これからやる浮力は力の一種なのでご注意を。

浮力はみなさんご存知かと思います。 プールに潜ったときに浮き上がろうとする力ですね!

浮力が生じる理由は,深さによる水圧の差にあります。

浮力が生じる原理がわかったので,先ほど習った水圧の式を利用して,浮力の大きさを求めてみたいと思います!

このように,浮力の大きさは,液体の密度 × 物体の体積 × 重力加速度で求められます。(液体と物体を取り違えないように!)

この式はアルキメデスの原理と呼ばれています。

余談ですが浮力は液体の中にある物体だけでなく,気体の中にある物体にもはたらきます。 よって,空気の中で生活している我々の身体にも,実は常に浮力がはたらいているのです。

ただし,気体は密度が非常に小さいので,重力の大きさに比べて空気の浮力は小さく,影響を受けることはありません。

(ヘリウム風船のように,非常に軽い物体は重力も小さいので浮力の影響を受ける。)

なので,特別軽い物体を除いて,物体にはたらく力を書くときは,空気から受ける浮力は省略するのが普通です。 液体中の浮力は書き忘れないよう注意してください!

今回のまとめノート


これで物理基礎に登場する力はすべて終了です!!

時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしましょう。

【演習】圧力・水圧・浮力圧力・水圧・浮力に関する演習問題にチャレンジ!...