圧力について

質問

中学1年生の圧力の実験ですが，ペットボトルの下にスポンジを置き，スポンジの上に大きさの違う板を使い，スポンジのへこみの大きさから圧力と面積の関係を導き出す実験なのですが，ここで疑問が生じたので質問させていただきます。

同じ重さのペットボトルを使えば，下にひいている板の大きさを変えない限り，ペットボトルを普通に置くのと，逆向き（ふたをしたにするということ）では圧力（スポンジのへこみの量）に変化はないはずなのですが，なぜか逆向きにおいたペットボトルの方が，スポンジがへこみます。いろいろと調べてみると，家庭用の食器洗いのスポンジは，圧力が均等にかからないなど書いてあったので，そのせいかな？と感じているのですがどうでしょうか？それとも，支えているペットボトルの角度が測定ごとに微妙に違うために起こっているのでしょうか。疑問が解決しないので，どなたか教えていただければ幸いです。

回答No.9

mintarou1 · ベストアンサー

回答番号No7,8です。興味深い現象なので色々考えたのですが、ペットボトルからの圧力に変化なく、長さにも変化がないならば、スポンジの方に原因の疑いが強いと思われて仕方ありません。

>>スポンジが重さによってへこむ量が決まるのであれば

と、考えているようですが、物質によっては時間をかければ、ゆっくり歪が大きくなる物質もあるので、そこは確認する必要があると思います。
そこで、提案なのですが以下の実験をされてはいかがでしょうか？

(1)最初やった実験と同じ様に行いますが、２回とも普通に板に載せる。
(2)　　々　　　　　　　々　　　　　　　最初は、キャップのほうを下にして、２回目は普通に乗せる。

これで、２つの実験で２回目の歪が大きいならスポンジの問題と言っていいと思います。
仮に、(1)は、２回とも同じ。(2)で、キャップを下にしたほうが歪が大きいなら、これは、ネットレベルで解決できないと思います。
いくつかの大学の工学部等に、資料を添付し質問するのがいいかと思います。

今は、各大学でホームページを持っています。研究室レベルでホームページを持っているいる所も少なくありません。教授が、自分でもっている場合もあります。
メールで、質問、又は、どこかを紹介して下さるようお願いすれば、レスポンスが返ってくると思います。

よければ、後で結果も教えてください。

お礼

条規に書いてある実験してみました。
(1)の方は2回とも変わりませんでした。
(2)の方の実験では，1回目のキャップの方を下にして測定後，すぐに普通にして乗せると，おっしゃるとおり2回目の方が大きく沈みました。ということはスポンジのせいだと思われますね。(1)で変わらず(2)で変わったのは，おそらく，(1)は板に乗せやすく，スポンジの変形が少ないせいではないかと考えました。(2)は逆さまできちんと乗せるのに手間取り，スポンジが絶えず変形する状態にありました。2つの実験間に，ちょっと時間をおいて実験をすると，へこみ量は変わりませんでした。あまり間をおかずに続けて実験を行ったために，このような結果になったことがわかりました。いろいろ調べた結果，使用するスポンジをメラミンタイプのものにするとかなりよい結果が出ることがわかりました。たくさんのご回答ありがとうございました。いろいろな考え方を学ぶことができ，勉強になりました。

回答No.8

mintarou1

回答No7 です。
ある事を思いついたので、出来れば実験していただけないでしょうか？

それは、スポンジの代わりに計りを使用して同じ実験をすることです。
はかりの示す数値が異なれば、私がNo7で推定した回答が正しい可能性がありますが、数値が同じなら他の可能性があると言うことです。
他の方も、色々な推定案を示したいるのでその検証にもなると思います。
それから、ふっと思ったのですが、実験順序に問題はないでしょうか？
普通に乗せた後、キャップ側を下にして実験した場合、スポンジはばねの様に、きれいな弾性性能を示すわけではないので、後の実験の方がスポンジが縮む可能性が高い気がします。
その辺はどうかな・・・という点も気になっています。

お礼

大気圧が形状によって変わるというのはちょっとありえないのでは？と感じましたが，一応実験してみました。はかりは0．1ｇ単位までしかはかれないものですが，測定したところこの範囲では違いはありませんでした。もしかしたら0．01ｇでは違うかもしれませんが，この単位で違っていても，スポンジのへこみの差にはつながらないであろうと，推測します。
それから，実験手順についてですが，これはあり得るかもしれません。実験は続けて次の実験に進みますので，スポンジが元の形に戻る前に次のものを乗せた場合，この誤差は生じるかもしれません。しかし，スポンジが重さによってへこむ量が決まるのであれば，元に戻っていようがいまいが，この差は無視できると思います。
ご回答ありがとうございました。

回答No.7

mintarou1

不思議な現象ですね。
普通に考えると、ペットボトルの向きをどう変えようが、ペットボトルの全重量が変化しないので、圧力変化しないように思いますが・・・

そこで、視点を広げて考えてみました。
原因は、空気の（大気の）圧力の差ではないでしょうか？
普通、我々は大気の圧力を意識しませんが、それは、体の中にも空気が入っており、外気とつりあっているので、差し引きゼロとなっているから大気の圧力を感じないのです。
大気の圧力は意外に大きくて１cm2で、10kgの力が加わります。
１cm2でこんなに大きいのですから、たとえば、ドラム缶のような表面積の大きい容器には、とても大きな外圧がかかっています。
ですから、ドラム缶の中から空気を抜き出し、ドラム缶にかかる圧力を外気の圧力だけにしようとすると簡単につぶれてしまいます。

ここで、ペットボトルの問題を考えます。ペットボトルはキャップをしているので内部の圧力には変化わなく、変わったのは、上下の形状です。
大気の圧力は、その面に垂直にかかります。つまり、形状が変わったせいで、大気の圧力のかかり方が変わり、キャップを下向きにしたほうが普通の置き方より、大気の下向きの圧力が上回ったと推定できます。

推定ですが、これが正解じゃないかと思います。

回答No.6

ohkinu1972

No5の回答でなるほどと思い、
家にあったペットボトルに水を入れて高さを比べてみましたが、
変わりませんでした。

ただ、目分量で計測する際はさかさまの方が、
低く見える場合もありました。

あとは、板が傾いていた可能性もあるのではないでしょうか。

お礼

私もペットボトルを逆さまにして測定してみましたが，1ミリ誤差があるかないかぐらいの感じでした。
板の傾きという点で考えるなら，やはり板の下に置いているスポンジが原因なのかもしれません。食器洗い用スポンジは強度が均一ではないと何かしらに書いてあったので，ペットボトルの置く位置が微妙に毎回変わることによってへこみに差ができ，このような結果になるのかもしれません。
ありがとうございました。

回答No.5

ninoue

それですとペットボトルの変形のためみたいですね。
口の当りにひだが付いていますが、それが水の重さで横に広がり、長さが短くなったのではないかと考えられます。

お礼

なるほど。考えられますね。だだし500mlのペットボトルで3mmも変形するとは考えられない感じがするので，あとは測定の誤差でしょうかね。今度は，ペットボトルだけを使って上向きと逆向きで何mm差があるか測定してみたいと思います。ありがとうございました。

回答No.4

debukuro

測り方による誤差でしょう

補足

下にも書きましたが，中学生に実験させたのですが，8班とも同じ結果が出たので，誤差と扱ってもよいかもしれませんが，なにかしらその誤差が生じる理由があると思うのですが，それが知りたいのです。

回答No.3

okormazd

#1です。
質問をよく読んでいなかった。早とちりでした。捨ててください。

回答No.2

ninoue

測定条件等が書かれているだけでは明確でないため、読む側では混乱しかねないのでお尋ねします。
(1) 台の上にスポンジがあり、その上に板、ペットボトルの順番なのでしょうか。
(2)　へこみの測り方はどのようにされているのでしょうか
　板の端の上側、ペットボトルの上端、測る単位はmm単位なのか、
　へこみは各何mmと何mmで、その差何mmは大きすぎると考えられているのか等。
(直接スポンジのへこみは測れないとして...)
(3) 板のへこみはないのか確認してください。
　　例えば板の四隅等の下に短めに切った割り箸を四本おき、ペットボトルの水量を変えてへこみの量を測る等。

同じ重さのものを乗せても、中心部分のみに偏った栓の場合と、少し広い底の場合とで、栓の方が板の撓みが大きいために差がでたのではないかと、勝手に考えていますが...。
　但し板のたわみが無視できるのであれば又別の理由ですね。

補足

ご回答ありがとうございます。
(1)その通りです
(2)ペットボトルの上端を測定しています。
　測定している単位はmmでへこみはだいたい500mlのペットボトルを使い満水にして普通の置き方で7mmで逆にすると9mmから10mmぐらいでした。これは誤差の範囲でしょうか?ちなみに8班実験させましたが，全部の班がこのように逆においた方が大きくなりました。
(3)板は合板のシナベニヤ７mmぐらいの厚さのものを使用し，重さによりしなってまがるということは，あまり考えられないと思われます。しかし，絶対にたわまないとは言い切れませんが。

回答No.1

okormazd

ペットボトルを普通に置いたのと、口を下にしたのとでは、口を下にした方が凹みが大きくなるのが当たり前です。下のスポンジを押す力が狭い面積に集中するからです。スポンジがへこむのは、スポンジにかかる全体の力によるのではありません。たとえば、1平方センチメートルにどれだけの力がかかっているかによるのです。この単位面積(1平方センチメートル)あたりの力を圧力といいます。普通においたときより、口を下にしたほうが、スポンジと接触する面積が小さくなって、圧力が大きくなるのです。
たとえば、ペットボトルの重さが300グラム、スポンジと接する底の面積が25平方センチメートル、スポンジと接する口の面積が5平方センチメートルとすれば、圧力は、底が300÷25=12グラム毎平方センチメートル、口が300÷5=60グラム毎平方センチメートルになって、口の方が多くへこむことになります。
そのままでは水には浮かないが、サーフボードでは水に浮くようなものです。