大気圧について

質問

不大気圧って空気の重さですよね。大気圏までの空気の柱の重さだと思うのですが、山は気圧が低いのは、上に上がった分の空気の圧力が減ったからでしょうか？

また、家にいるときは、天井がありますから、空気の重さが天井で抑えられて、外にいる時よりも空気の重さ、圧力が減るような気がするのですが、実際はどうなんでしょうか？

回答No.5

Quarks

>ドアの下の隙間から風が入ってくるとがありますが、これは中と外の気圧を等しくしようと空気の流れがおきてるからでしょうか？

そのとおりです。たとえば、換気扇を回して室内の空気を排気していると、ドアの隙間などから風が入ってきますね。これなどはまさに部屋の内外の気圧を等しくしようとして空気の流れが発生しているのです。排気されることによって、室内の気圧は低くなりますから、ドアの隙間の部分で、外の圧力＞中の圧力 となり、外から空気が流れ込んでくるわけです。

>家の空気の密度の方が高いんでしょうか？
気圧が外と中で等しいなら、外は大気圏までの空気、中は天井までの空気ってことで重さを等しくするためには、大気圏までの空気の高さ分を天井までのわずかな距離に圧縮して全部おしこまなきゃいけない

元々の疑問が、天井が、それより上の空気層を支えているから、床に掛かる大気圧は天井から床までの空気の重さによる、という考えに基づいているようですが、これは根本的に誤解ですから、この際しっかり誤解を解いておきましょう。
結論を先に書けば、密閉されていない容器（家屋も同じです）の場合、床面に掛かる圧力は、天井や壁が有るか無いかにかかわらず、床面から大気圏の最上層までの空気の重さに起因する圧力に等しいのです。また、同じ高度なら、室内であろうと室外であろうと、空気の密度は同じです。

思考実験してみましょう。何も無い広場に立って大気圧を観測しましょう。地面に１m^2の四角形Ｓを描いてみます。この四角形の土地には、おおよそ１０(t)の空気がずっしりと載っていますから、その重さで地面はぎゅうぎゅう押されています。これを私たちは、地面に１[気圧]の大気圧が掛かっていると理解します。しかし、この圧力は真下向きだけではなく、横方向にも掛かっていることはご存じですね。地面にＳの縁に沿って南北方向の壁を１面立ててみます。この壁面にも、１[気圧]の大気圧が掛かっているのでしたね。壁は１枚だけですから、壁の東の面でも西の面でも同じ圧力でしょう？どちらの面も完全に対等ですから、差が有ると考える方が不自然です。ついでに、壁の東西で、空気の密度が違うなどということもないですね。次にもう一枚壁を追加してみます。Ｓに沿って東西方向の壁です。この壁を追加したらＳの気圧は変化するでしょうか？　空気の密度は変化しますか？　しませんよね。だとしたら、Ｓの縁に沿って次々と４枚の壁を立てても、Ｓの気圧は１[気圧]のままですし、密度もずっと変わらないということが認められるでしょう。以上から、大気圧を考える際には、土地の面積に依存しないということが結論づけられます。だって、Ｓと、そのまわりの広大な土地とでは面積が全然違うのに同じ大気圧なのですから。別の言い方をすれば、壁の有る無しは大気圧を考える際には考慮する必要がないということです。
では、Ｓの周囲の壁は取り去ってしまいましょう。そのうえで、１m^2の面積の、重さのない板を用意します。あなたは、Ｓの中に立って、板を頭上に掲げます。板は水平に保つのです。どうですか？空気の重さを感じますか？板の重さが無いなら力を全く感じないでしょう？空気は10(t)の重さなのに、あなたはそんな重さを板に感じないはずです。板の上にはまぎれもなく空気がずっしりと載っているはずなのに…　なぜなのでしょうか？上から巨大な力(10(t)分の重さ、Ｆと書きます)が掛かっているのに、それを感じないのは、板には下から上に向かってＦと同じ大きさの力が働いていて上からの力を打ち消しているからだと考えるしかありません。この、押し上げる力はあなたに原因があるのではないですよね、だって、あなたは板を持ち上げるのに全く力を加えていないのですから。とすれば、上向きの力の原因は空気に求めるしかありません。つまり、板の上面も下面も、同じ大気圧を受けているということです。ちょうど鉛直な壁の両面が同じ大気圧を受けているのと同じです。以上のことから、大気圧は、あらゆる方向に作用すること、仮想的に板を想定すると、その板がどんな向きであろうと、その両面に掛かる大気圧は常に同じだということです。
もう一度、Ｓに戻りましょう。１m^2の軽い壁を１枚、Ｓの縁に設置しましょう。Ｓに掛かる圧力はＳ上の空気層の重さに起因するのでしたね。壁を少し内側に傾けてみましょう。Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？どんどん壁を傾けていきましょう。Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？どんどん壁を傾けていって、９０度傾けたら…　Ｓに掛かる圧力は変わりますか？空気の密度は変わりますか？　そう、Ｓに掛かる圧力を考えるときには、こんな板は有っても無くても全く関係ないのです。つまり、Ｓに掛かる大気圧は、Ｓの上層にどんなに天井・屋根があっても同じなのです。空気の密度が変わることもありません。これは、天井から下の空気の重さがＳに掛かる大気圧を生み出していると考えてはいけないということを教えていませんか？

補足

長々親切に説明ありがとうございました。
今まで、床から天井までと、地面から大気圏までの圧力で悩んで嫌のは、たぶん下からも力が働いているってことはしらなかったからです。

下からも力が働いて釣り合っているので、人間は空気の重さを感じないんですね。
ようするにニュートン力学でいう反作用のことなのかなと思いました。

反作用の力を考えないと、家の外に出た時に、大気圏までの空気の分すんごいどっさり重さを感じてしまいますもんね。

たぶん空気を小さな領域でみてみると、空気がまわりの空気を押して、さらにその空気がまわりの空気をおす。その時に、反作用の力も働いているでしょうから、実際には１０ｔの空気があっても、たぶん１０ｔには感じられないんでしょうね。

ですが、なぜか水の中ではちょっと潜っただけでもすんごい圧力を感じますね。
そう考えると水と空気ってちょっと違いますね。