地球にはいろいろ不思議なことがありますが、皆さんはこの事実をご存知でしょうか。
それは「どんなに強力なポンプを使っても水を１０メートル以上吸い上げることはできない」というものです。
もちろんこのポンプをものすごく肺活量のある人とストローと言い換えてもいいのですが、とにかく水を10メートル以上吸い上げることはできません。
今回はその理由を説明していきます。
まずは気圧というものを理解しよう
地球の周りには大気があり、そこには大気の圧力である気圧が存在します。
いきなりなぜそんな大きな話をし始めたのか不安に思われるかもしれませんが、実はこれが重要なのです。
不安かもしれませんが、まずは少しだけでも気圧について知っておきましょう。
人間は日々とんでもないストレスを受けている
実は気圧の話をするときに一番初めに分かっておいてほしいのが、人間は日々かなりのストレスを受けているという話。
そのストレスの正体こそが、気圧なんです。
考えてみてください、人間の上には何もないと思いきや、実は大量の空気が存在しているわけです。
しかし、この空気だって間違いなく重さは存在します。（物が浮かぶ時「空気より軽い」といいますよね？）
そして、その重さがいかに小さなものでもあなたの周囲にはたくさん空気が存在しているわけです。
その重みは、実は大変なもので1平方メートル当たり10トンにもなります。
そう、私たちは日ごろ、そんな重たいものを背負って生きているわけです。
人間は気圧に気づいていない。
ところが、人間はそんなとんでもないストレスを受けていても全然平気です。
会社や学校で「いやぁ今日は空気が重くて嫌になるね」なんて言葉は、気難し屋の部長の機嫌が悪そうな時くらいにしか聞きません。
そう、普段私たちは空気の重みを感じては生きていないのです。
その原因の一番は、そもそもその環境で生まれているのだから気が付かなくて当たり前、というものになるのですが、科学的な言い方をすると違います。
それは、人間の身体の中にも空気があるからです。
というのも、やはり人間の中にある空気にも気圧は存在していて、周囲から気圧で押されていても体の中の気圧が同じ力で押し返しているからなんですね。
たとえば、あなたが体重計に乗っても、体重計の中から誰かがあなたをあなたの重みと同じ力で持ち上げれば重さはゼロです。
それと同じ理屈で、私たちは重さを感じていないわけです。
気圧が低いと起こる体調不良
ところが気圧が低いと、この重さを感じることがあります。
たとえば雨が降ったり台風が近づいて来るときにやってくる「低気圧」というものがありますよね。
これは文字通り様々な理由で気圧が低い、つまり空気が軽い状態を言います。
こうなると人間は、いろいろな体調不良を起こします。
頭が痛くなったり関節痛がひどくなったり、手足がむくんだりする人もいるのですが、低気圧が原因ならばこれは空気が軽くなったから起こる症状です。
他にも、山の上にいけばいくほど空気は薄くなりますから、当然空気の重さは小さくなります。
つまり気圧が下がるということなのですが、この時ポテトチップスの袋が膨らむというのはよく聞く話ですよね。
あれもそうです、ポテチの内側に入っている空気の密度が高く、外側の密度が低いので、内側の空気の方が重くなって、内側からポテチの袋を押しているから膨らむのです。
真空パック開けるときに感じる空気の重み
この空気の重み、つまり気圧を感じるときに一番わかりやすいのが真空パックを開ける時。
真空パックのお肉やお魚、他にも食品などを開けるときは、最初は袋同士が接着剤でくっついてるのかな？と思えるほどにピタッとくっついていますよね、
じつはこれが「気圧に押されている」状態です。
しかし、どこか一カ所でも突破口を見つけて、そこに空気が入ったとたんに、くっついていた袋は簡単に開いていくはずです。
そしてそのままなにもせずにもう一回封をしても、もう袋同士がピタッとくっつくことはありません。
これが、内側にも空気が入ったことで、内側の圧力と外側の圧力が釣り合って重さを感じなくなっている状態です。
じつはこの気圧の釣り合いが、水を吸い上げる話にかかわってくるわけです。
水が10メートル以上あがっていかない理由
ではやっとここから、水が10メートル以上あがっていかない理由を解説していきます。
まずは密封されていないという条件
蓋を閉じて密封しているビンに、空気の入り込む隙間なくぴったりとストローを差し込んで、すってみます。
これは、もう言うまでもないことですが、そんなことをしてもストローで水を吸い出すことはできません、というか、少しも吸えません。
ですので、この場合、密閉されていないものから吸い上げるというのが前提です。
ポンプを使って川の水を吸い上げるですとか湖の水を吸い上げる、ストローでコップやお椀お水を吸い上げるという開放された状況で水を吸い上げるという話が前提です。
私たちは本当に吸い上げているのか。
コップにストローをさし、中に入っている水を吸い上げていくのですが、この時重要なことをひとつ質問します。
「果たして私たちは水を吸い上げているのだろうか？」と。
当たり前だろ？そうに決まっている。
そう思った人は残念、実は違います。
私たちが水を口元に引き寄せようとしているとき、私たちは水を吸い上げているのではなく、ストローの中の空気を取り除こうとしているのに過ぎないのです。
コップの水面とストローの水面には同じだけ気圧がかかっている
コップにストローが刺さった状態のものがあります。
コップには当然水面がありますし、ストローの中にも水が入っているのですからストローにも当然水面が存在します。
そして、これまた当然ですが、このどちらの水面にも気圧がかかっているわけです。
そして、先ほどの人間の身体と同じように、この両方にかかっている気圧がちょうど釣り合う所で、水面は静止しています。
というと、よくわからないと思うので簡単に言いますね。
つまり簡単に言うと、ストローの水面とコップの水面の両者を空気が押し合っていて、その押し合いへし合いがちょうど釣り合っているところで水面は静止しているということです。
私たちが吸っているのはストローの中の空気
私たちが水を口にするまで吸うのは、ストローの中の空気ですよね。
これによってストローの中の空気は少なくなっていきます、つまり最終的には空気がなくなってしまうわけです。
するとどうでしょう、コップの水面には気圧がかかっているのに、ストローの水面には気圧がないという状況になりますよね。
こうなると、コップの水面を押す力がバランス的に大きくなって先ほどまでの均衡は崩れます。
すると、コップの中の水がコップの水面から押されて、力のかかっていないストローの水面めがけてのぼってくるということになりますので、ストローの中の水はどんどん口に近づいてくるのです。
そう、水は私たちに吸われているのではなく、コップの水面にかかる気圧に押されて上ってきているわけです。
それでも限界はある
さて、この時のストローを10メートルに延ばして、上から吸っていくと水はどんどんのぼってきます。
あなたが吸えば吸うほどストロー内の空気がなくなり、その分、水はコップの水面の気圧に押されて上ってくるのですが、やはりそれにも限界があるんですね。
それがどこかいえば、10メートル付近ということになるのです。
では、なぜそれが10メートル付近かというと、これはもう簡単な話です。
水が10メートルの高さになったとき、コップの水面を押す空気の圧力がストローの中の水の重さを持ち上げられなくなってしまうからです。
つまり、ここで、大気圧という空気の重さとストローの中の水の重さが釣り合ってしまうというわけです。
これではいくら上から空気吸って真空を作ってあげても、これ以上空気の重さで水をもち上げることはできません。
それが1気圧の重み
さて、この時の空気の重さ、つまり空気の圧力である気圧を1気圧といいます。
この1気圧とは、地上での空気の圧力のことを言いますが、これが一番初めに言ったように1平方メートル当たり10トンというとんでもない圧力になるわけです。
やはり、先ほども言った通り普通に生きているといまいち実感できない重みですよね。
しかし、この実験で、水が10メートルも持ち上がれば、その大きさが理解できます。
ちなみに底面積が1平方メートルの容器に水を入れていってちょうど高さが10メートルになる時の水の重さの合計が10トンです。
そんな大量の水を持ち上げるような圧力が、この私たちの周りにある空気にはあるのです。
まとめ
この実験を本当にきちんとやると、そのストローの水面で面白い現象が見られます。
なんと、ストローの水面では水が沸騰します。
とはいえ温度は変わりません、別にストローの水面が100度になっているというのではありません。
これも気圧に関することなのですが、知りたい人は、自分で探求してみると面白いかもしれません。
以上「【不思議な現象】数学・物理のトリビア4！10メートルストロー解説」でした。
