大気圧の実験

質問

こんばんは

水槽の中でペットボトルを水で満たしさかさまにします。
そのまま飲み口のところにピンポン玉をつけ、ゆっくり引き上げるとピンポン玉はくっついて持ち上がる。

という実験の説明なんですが

ペットボトルの中は水で一杯なので空気がない。
→ペットボトルの内側からの大気圧が働かない。
→ペットボトルの外側には大気圧が働いている。
→だからピンポン玉は落ちない。

という説明であってますか？インターネットで探してみたのですが、正確には大気圧ではないというものもあって…
しかも難しくてよくわかりませんでした。

素人でもわかるように易しく説明してくださると助かります。宜しくお願いします。

回答No.9

a-saitoh · ベストアンサー

>「ピンポン球は自重で落ちる」とは重力が働いている、ということでよいのですか？

ピンポン球にも見ずにもペットボトルにも、全てのものには重力が働いています。

>「気圧が少しだけ下がってピンポン球を引きつける」は気圧の高いところから低いところへ空気が移動する、ということですか？

気圧じゃなくて水圧ですね。
移動しないから下がるのです。移動した分空気が入ってきたら水圧は変わり得ません。ペットボトルには弾性がありますから、水が重力で下に出ようとする力で、少し凹みます。凹んだぶんもとの形に戻ろうとする力が働くので、水圧が1気圧よりちょっと下がる出有ろう、ということです。

ちょっと思考実験してみてください。ペットボトルを手で握りしめると凹んで水が出ますね。そこですかさずピンポン球を口に付けて握った力を緩める、吸い付くとおもいませんか？

なお、ペットボトルの長さが10cmだとすると、下に向けたペットボトルのところの水圧は1.01気圧くらいになります。0.01気圧は、水が重力に引かれて下に落ちようとする力が圧力として現れたものだと考えることもできます。

ところで、「飲み口のところにピンポン玉をつけ、ゆっくり引き上げる」という時にピンポン球は飲み口にくっつけているだけですか、力一杯押しつけてますか?

いや、試してみると(ピンポン球がなかったので他のもので代用しましたが)この実験は成功しませんでした。ペットボトルを落とさないように手で握りしめる力でペットボトルが凹んで水が押し出されてしまいます。
強度の強い炭酸飲料のペットボトルだとかなり良い線まで行きます。
この実験は、ガラス瓶などのような剛体でないと成り立たないのかも。

お礼

再び回答有り難うございました。「水圧」ですか…？また解らなくなってきました。ごめんなさい。でもペットボトルを凹ませてというくだりはよくわかりました。実際に実験までして頂いて有り難うございました。

回答No.8

noname#19341

ペットボトルから水が落ちる条件は、

ペットボトルの中に空気が入る。
と言う条件があります。

＃２さんの回答を借りるなら、
そのまま水槽から引き上げてペットボトルの口の部分
だけを水槽内に入れてもペットボトルの水は落下しない。

何故ならば、水が落下すれば、ボトル内に真空が発生してしまうからだ。

理由は大気圧にある。

ここから、ピンポン玉が落ちるには、
ボトル内に真空が発生する必要性がある。

＞正確には大気圧ではないというものもあって
真空の発生理由は大気圧にあります。
良いのでは？

水が落下しようとすると、空気を中に入れようとします。（真空にならないように）
そのため、ピンポン玉は張り付きます。
大気圧と同じ力で。

お礼

お返事有り難うございました。質問には書かなかったのですが、「この実験を大気圧で説明しなさい」という条件があったので、回答を読んでちょっとホッとしました。

回答No.7

tomo3104

これ、水を使うから解りにくいんですよね。
しかも水とピンポン球だと、考える仕掛けが２つできてしまうので、解りずらいでしょう。

プリンが逆さにしても落ちないのはなぜか考えた方が良いと思います。そして底のピンを折ると空気が入ってきてプリンが落ちてきます。

一体、空気圧ってどのぐらい強いのか知りたければ、ペットボトルの中の空気を口で全部吸い出してみれば良いと思います。その吸い上げられる力とプリンの重さが釣り合っているというわけです。

水は流れてしまうので、普通はペットボトルの中にとどまらず、流れ落ちてしまいます。でも、固まっていればプリン同様、落ちてきません。ピンポン球を使う必要は無い。

話は変わりますが、本当だったら壁に手をつけただけで空気圧が働いて、容易に離すことが理論上できないはずなのです。
しかし、手は隙間だらけで、空気が入ってこられるためそんなことは起きませんが、吸盤がついていたら別です。

吸盤が壁から離れないあの力が常に身の回りに存在しているんですよね。

多分、圧力という概念がイメージできていないとこの話は理解できないと思われます。
しかも空気圧の場合、「自分の上に何千キロメートルの空気層が乗っかっている」という巨視的なイメージを考えなきゃならないので難しいです。

圧力ってどんなものなのか、それを一晩考えてみるのが良いと思いますよ。

お礼

お返事有り難うございました。
プリンのほうがイメージしやすいのですが、ごめんなさい、「空気を口で全部吸い出す」こととプリンの重さの関係がよくわかりませんでした。でも吸盤の件は納得です。空気って面白いですね。有り難うございました。

回答No.6

ht1914

＃５です。回答を書いて字のミスを直している間に＃４の回答が送られてきていました。内容がだぶっています。あしからずです。

ついでに一言。
＞・ピンポン球が微少な距離落ちると水が少しだけペットボトルから外に出る。これによってペットボトル内の水圧が1気圧より少しだけ下がってピンポン球を引きつける。
ペットボトル内の水圧は初めから１気圧よりもかなり小さいです。ハガキの強度で補っています。空気がなくて水だけであれば圧力が小さくても体積変化がほとんどないのでハガキが中に吸い込まれるということは起こりません。

空気が入っていると上手く行かないでしょうね。これは圧力の関係でした。訂正しておきます。（でも微妙です。）

お礼

回答有り難うございました。
No.6の回答をよく読んでからNo.5の補足を書き込めばよかったです。空気が入っていると上手く行かない、でいいんですね。ありがとうございました。

回答No.5

ht1914

ちょっと補足です。大気圧が原因であることは確かなんですが不思議に思うところは何処かの確認があった方がいいと思います。

ペットボトルに水を入れてサカサマにします。
（１）そのままで落ちてこないのであればピンポン球を付けても落ちてこないのは何の不思議もありません。醤油の入れ物のペットボトル等では口のところがプラスティックスのプルトップになっています。種類によって形や大きさが違います。中にはサカサマにしても水の落ちてこないものがあるそうです。ともかくある程度穴が小さければ出てきません。
（２）サカサマにしたら水が落ちてくる場合。
改めて水を入れてピンポン球を口のところに当ててサカサマにします。これで落ちてこないとなると不思議なんです。ここを説明しないといけません。空気の圧力は何時も働いています。

子どもの時によくやったことがあります。ガラスのコップに水をいっぱいに入れてハガキを載せます。ハガキをしっかり押さえてからサカサマにして手を離します。水はこぼれてきません。
今はやりませんか。同じです。
空気が少し入っていても出来ます。ただ水の動きが大きくなりますから丁寧にやらないと上手く行きません。圧力だけが原因であれば少々の空気は関係がないはずです。ぬれも関係しますから表面張力も影響します。ハガキもポイントです。新聞紙だと水のしみこみが大きいので駄目です。
ペットボトルの口はコップに比べて小さいですから実現はやさしくなります。ハガキが張り付いた釣り合いの条件では大気圧が必要です。ハガキが張り付くためには表面張力を考えないといけません。

補足

お返事有り難うございました。
コップと葉書の実験も改めてやってみようと思います。
回答についてもう一度質問よろしいですか？
「圧力だけが原因であれば少々の空気が関係が無いはずです」とはどういうことですか？ここの圧力とは大気圧の事ですか？
飲み込みが悪くて申し訳ありません…回答お待ちしております。

回答No.4

a-saitoh

ピンポン球じゃなくても、ハガキでも同じようなことが起きますね。

ペットボトルの中に空気はありませんが水がありますから水圧がかかっています。ペットボトルは押したら凹む程度の強度ですから、ペットボトルの底や側面の大気圧がそのまま中の水の水圧になっていると考えられます。

ペットボトルの口から水が出ようとする力と、ピンポン球がペットボトルに押しつけられる大気圧の力が同じなので水はこぼれません。
「同じだったらピンポン球は自重で落ちるだろう」という気がしますが、この解釈としては、、、、

・水の表面張力で張り付いている
・ピンポン球が微少な距離落ちると水が少しだけペットボトルから外に出る。これによってペットボトル内の水圧が1気圧より少しだけ下がってピンポン球を引きつける。
ピンポン球とペットボトルの口には微少な隙間が空いているが、水の表面張力があるのでそこから流れ出したりしない。

ということではないでしょうか。。。

補足

お返事有り難うございました。
回答についてまた質問よろしいですか？

「ピンポン球は自重で落ちる」とは重力が働いている、ということでよいのですか？
「気圧が少しだけ下がってピンポン球を引きつける」は気圧の高いところから低いところへ空気が移動する、ということですか？

全然違ってたらすみません。お返事お待ちしています。

回答No.3

essa5242

私も質問者と同様　よくわかりません

「空気がない→ピンポン玉は落ちない」
これはこれで正しい因果関係なんでしょうが　どうもぴしっと心にひびくものがありません　思考実験をしてみましょう

a）水中で実験する（ただし浅いところで）　ピンポン玉のかわりに水より少し比重の大きい材質の玉を使う　ペットボトルには水銀を満たす・・・落ちない（だろうな）
b）a)の実験で　ペットボトルに少しだけ水を入れる・・・落ちない（だろうな）
c）質問者の実験にもどって　「空気は圧力が変わっても体積が変わらない」と仮定する・・・落ちない（だろうな）

ということから考えると
質問者の実験で「空気がない→ピンポン玉は落ちない」説明はちょっと短絡的すぎると思います
「圧力の変動で容易に体積が変化する空気の性質」というのも考えるべきじゃないでしょうか

回答になっていなくってごめんなさい

お礼

お返事有り難うございました。
私もこんなに単純な説明でいいのかなと思っていました。「圧力の変動」ですか…もう少し調べてみますね。

回答No.2

tane_tane_tane

その通りだと思いますよ、
大気圧は、水銀を760mmほど押し上げる力があります。
水は、軽いですから。
水銀の実験は、圧力を定義する有名な実験です。
調べてみてください。
よく理解できると思います。
というか、すでに理解されていますね。

お礼

お返事有り難うございました。
水銀の実験は何となく頭にあるのですが、はっきりしないのでこれから調べてみたいと思います。

回答No.1

oo14

私もよくわかりませんが、
大気圧というのは水に置き換えたら約１０ｍの高さですよね。ペットボトルに１０ｍも長さがあるものがありましたっけ？たかだか０．３ｍですね。ピンポンは悩んでる暇があるのでしょうか？あなたがピンポンでそんな仕打ちというか、代表に選ばれたら、はたして逃げることなどできるのでしょうか？

お礼

お返事ありがとうございました。
残念ながら私はピンポンの気持ちがわかりませんので、せっかく回答いただきましたが、よく理解できませんでした。貴重なお時間を割いていただいて回答してくださったことには心から感謝いたします。