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落ちない水(穴の開いたコップ)

まずは見てみよう!

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どんな実験?

実験手順と種あかし

  • 前に「落ちない水」という実験がありました。それをもう少し調べてみましょう。
  • プラコップに水を入れてふたをして、さかさまにします。ふたを押さえている手を離してもふたは落ちず、中の水も落ちません。
  • 水が落ちない理由を「下から大気圧で押されているから」とか「表面張力で支えられているから」と説明されることが多いのですが、少し違います。
  • コップの中の水が落ちないように支えている力は、コップの中の水の上下の圧力差(=水の密度×重力加速度×高さ)による力です。つまりふたの上面の水圧はほぼ大気圧(正確には大気圧よりもわずかに低い)であり、コップの底(上部)の水圧はこの圧力よりも「水の密度×重力加速度×高さ」の分だけ低くなってつり合っているのです。
  • 表面張力による力は小さく、水の重さを支える直接の力にはほとんどなっていません。表面張力は外の空気と中の水が接するコップの縁付近で、外の空気圧(大気圧)と水圧のわずかな圧力差を支えているのです。
  • 次に、底に小さな穴が開いたプラコップで実験してみます(この実験ではピンバイスで直径2mmくらいの穴を開けました)。
  • コップ内の上部の圧力が大気圧になりますので、コップ内の水の上下の圧力差がなくなり、水の重さを支える力がなくなってしまいます。そのため、ふたが離れて中の水が落ちてしまいます。
【注意】

プラコップに穴を開けるときには、けがをしないように注意してください。大人の人といっしょにやりましょう。

【キーワード】 深さと圧力、表面張力
【関連項目】 落ちない水
【参考】

日本機械学会編「流れのふしぎ」講談社ブルーバックス、P38-41およびP62-67.

石綿良三「図解雑学流体力学」ナツメ社、P48-49およびP18-19.
更新日:2019.2.1