教科書(物理基礎) 問43:水圧

解法

直感的理解
水深 50 m における圧力を求めます。水中の物体は大気圧に加えて、上にある水の重さによる圧力(水圧)を受けます。水深 10 m ごとに約 1 気圧(\(10^5\;\text{Pa}\))ずつ増加するので、50 m では約 5 気圧の水圧が加わり、大気圧を含めて約 6 気圧になります。

水深 \(h\) における水圧は \(\rho g h\) で、物体が受ける全圧力は大気圧 \(p_0\) を加えた値です:

$$ p = p_0 + \rho g h $$

各値を代入します(\(\rho = 1.0 \times 10^3\;\text{kg/m}^3\)、\(g = 9.8\;\text{m/s}^2\)、\(h = 50\;\text{m}\)、\(p_0 = 1.0 \times 10^5\;\text{Pa}\)):

$$ \rho g h = 1.0 \times 10^3 \times 9.8 \times 50 = 4.9 \times 10^5\;\text{Pa} $$ $$ p = 1.0 \times 10^5 + 4.9 \times 10^5 = 5.9 \times 10^5\;\text{Pa} $$

これは大気圧の約 5.9 倍です。

数値確認:50 m、10 m を代入して計算します。50 × 10 = 500

答え:\(p = 5.9 \times 10^5\;\text{Pa}\)
補足:水深と気圧の関係

水深 10 m あたりの水圧増加は:

$$ \rho g \times 10 = 1000 \times 9.8 \times 10 = 9.8 \times 10^4 \fallingdotseq 10^5\;\text{Pa} = 1\;\text{atm} $$

つまり水深 10 m ごとに約 1 気圧ずつ増加します。水深 50 m では大気圧 + 水圧 5 気圧 ≒ 6 気圧です。スキューバダイビングの限界深度が関わる理由がわかりますね。スライダーで深さを変えて圧力ゲージの変化を確認しましょう。

数値計算:1.0 × 10 = 10

数値計算:1.0 × 10 = 10

Point

水圧 \(\rho gh\) は深さだけで決まり、容器の形には無関係です(パスカルの原理)。また、水圧は物体の全方向(上下左右)から均等にはたらきます。