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 h 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 S 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
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。
