質問: 水の中で木が浮く理由 水の中に木を入れると浮きます。どうしてか、と考えて悩みました。 木の上面の圧力と下面の圧力の差が木の質量より大きいからだ、という事なんでしょうが、では上面の圧力と下面の圧力の差はどうやって出来るのか? 圧力というと、ミクロに見れば水の分子が木の表面にぶつかって生じる現象なのでしょう。とすると下面の圧力が高いということは、ぶつかる分子の数が多いか、分子の速度が速いか、のどちらかになるはずです。 分子の数は液体の場合、非圧縮性があるから、それほど密度が違うと思えません。分子の速度が大きく違うのであれば、水は下の方が熱いということになってしまいます。どちらにしても説明がつきません。 どう考えればいいのでしょうか?
回答: 補足が必要かもしれませんね 圧力というのは 分子の運動そのものではなくて平均値です 分子同士はそれぞれぶつかり合ってエネルギーの受け渡しをしています このときの法則は単純で エネルギーの高いほうから低いほうへの一方通行です あまり正確な言い方ではないですが ミクロで言っても分子には重さがあるので 地球の重力に引かれて加速度が加わっています なので 上から押される分 水は深いところほど圧力が大きくなります 空気は密度が薄く(分子密度が薄いので)顕著ではありませんが それでも 高山と海岸では 大気圧に差があります 最初に述べましたが 圧力は 分子運動の平均値です 一方 温度とは 分子運動のエネルギーのことです(厳密な定義に立ち入ることはとりあえず避けます) つまり 温度の高い空気で希薄な状態もありうるわけですね これを表現すれば 圧力が低くて高温の気体 とか 圧 力が高くて温度の低い液体という表現などになるわけです だから 水は下のほうが熱いというのではなく(なぜなら 確かにエネルギーを上から貰い 分子運動が高まりますが すぐ隣にぶつかりすぐにエネルギーは減少します あまりうまい説明にはなりませんが 下の方ほど引締め合っているため 身動きが取れにくく(つまり 温度は高くない)ぶつかり合って小刻みに振動しているため 全体としては(つまり圧力は)高くなる というわけです。 地球上空を登っていくと 気温はどんどん下がっていきますが 同時に空気も薄く希薄になり やがて 分子などが(ぶつかりにくく)ある程度自由に動けるようになると 温度は上昇していきます(つまり それだけ分子運動の速度が上がるということです)でも そこに大きな質量を持った物体を持っていっても その温度にはなりません 逆に物体からどんどんエネルギーが放射されて凍り付いてしまいます これは ミクロな分子での現象と マクロな現象との違いですが、温度が高いのに凍りつくという異なった現象ですが 矛盾しているわけではありません ですから 水の深さで密度は同じでもなぜ熱いわけではないのか? という回答は 次のようになります 実際は 密度が違うわけではなく ぶつかり合って推しあうためにちかずけない(つまり あまり密度的には変わらないように見える)すぐぶつかり合うために その自由平均行程も短く 分子の動きもほとんど早くならない むしろ 動きを制限されて 低下?(スピードが遅いことは 温度が低いということ)でも ぶつかり合う回数は確実に増えるので 圧力の変化として現れる ということです。 ミクロでの意味と マクロでの現象 それらの違いや認識をしっかり把握すると 疑問も解けるのではないかと思います もっとも このような 疑問にたどり着かない人も大勢いるので 悩むだけ理解の入り口に到達しているといえるかもしれませんね。 わかりやすい説明になっているかどうかはわかりませんが 参考にしてもらえれば幸いです。