カテゴリー: 空気のはたらき

気圧の測り方

大気の圧力は、いつも一定しているものではなく、たえず変化しています。
それであるときの大気の圧力を観測するのに、気圧計が用いられています。

水銀気圧計

水銀気圧計では、トリチェリの原理を利用しています。

水銀気圧計の下の部分には、水銀をいっぱいつめた皮袋がありそこからガラス管につまった水銀柱が続いています。

そして、下の水銀面にはたらく大気の圧力が変化すると水銀柱の高さが上下するようになっています。

この気圧計で気圧を測るにはまず、袋にふれている1つ目のねじをまわして水銀の面がぞうげの針の先に軽くふれるように調節します。

つぎに2つ目のねじをまわして、ものさしの下のはしを管内の水銀面の頂点にあわせ、それから水銀柱の高さを読み取るのです。

アネコイド気圧計

気圧計には、水銀気圧計のほかに、アネロイド気圧計があります。

アネロイド気圧計では、波形をしたうすい金属製の缶の中の空気が、抜きとられています。
缶の中には、ばねが入っていて大気の圧力で潰されないようになっています。

そして、気圧が高くなると、この缶は少しへこみ低くなるとふくらむのです。
この小さい変化を、てこのしくみで大きくし針の先で気圧が読めるようになっています。

この気圧計はもち運びに便利で、船のように揺れるところでも測れます。
しかし、水銀気圧計ほど正確に測れないのが欠点です。

ボイルの法則

まえに、空気にも弾性があることを学びました。

いま、かんちょう器に空気を閉じ込め指で口をふさいで、ピストンを静かに押してみましょう。

中の空気の体積が小さくなるとピストンを押し返す力がはたらくようになります。

これは、押し縮められた中の空気にもとの状態にもどろうとする性質があるからです。

こんどは、指で口をふさいだまま、ピストンをひっぱって中の空気の体積を大きくしてみましょう。

すると、ピストンを吸い込む力がはたらくようになります。
このときピストンをはなすと、ピストンは吸い込まれてしまいます。

この実験で、ピストンの中に閉じ込めた空気の圧力の強さはもとの体積より小さくする气大気の圧力がり大きくなり反対に、もとの体積より大きくすると大気の圧力より小さくなることがわかります。

くわしい実験によると、閉じ込めた空気の体積が2分の1、3分の2になると圧力の強さは2倍・3倍になることがわかります。

また、体積を2倍・3倍にすると圧力の強さは、2分の1、3分の1になります。
しかも、この関係は空気ばかりでなく、ほかの気体でも成り立つのです。

つまり、温度がかわらなければ、一定量の気体の体積と圧力の強さは互いに反比例するという関係があります。

この関係は、むかし、イギリスの物理学者のボイルが研究したのでボイルの法則と呼ばれています。

ボイルの法則と分子の運動

気体の体私と圧力とのあいだに、ボイルの法則が成り立つのはつぎのような考え方をすると、よくわかります。

多くの物体は、分子と呼ばれる、非常に小さい粒から成り立っています。

この分子は、非常に小さく、全体を1つの球と考えると直径は1センチの数千万分の1にすぎません。
それで、目で見ることはもちろんできませんしどんなに倍率の高い顕微鏡でも、見ることができないのです。

固体では、この分子は規則正しく並んでいますが気体では、1つ1つの分子が自由に動きまわっています。

そして、ほかの分子と衝突したり物の表面にぶつかったりしているのです。

たとえば、図のような1つの円筒の中の、気体の圧力を考えてみましょう。
やはり、分子はさかんに飛び回っていて上の円板にもつきあたっています。
この分子が物にぶつかる力が、気体の圧力のもとになっているのです。

いま、この気体の体積を半分にすると円板につきあたる分子の数は、2倍になります。

そこで、気体の圧力も2倍になるのです。反対に、気体の体積を2倍にしてみます。

すると、円板につきあたる分子の数は半分になり気体の圧力も、まえの半分になるはずです。

また、気体の分子が1つの向きに流れていくことがあります。
空気がそのように流れていくのが風です。

一方からだけ多くの分子がぶつかるので木の葉がそよいだり、煙りがたなびいたりするのです。

圧縮空気のはたらき

空気を強く押し縮めたものを圧縮空気と言います。
空気は、圧縮されると体積が縮み、圧力が大きくなるのでこの力を利用していろいろな仕事をさせることができます。

圧縮空気をピストンをはめたシリンダーに送るとピストンは圧縮空気に押されて動きます。

このことを利用して、電車や機関車などに使われている空気ブレーキでは、制輪子を車輪のタイヤに押しつけて、車輪の回転をとめています。

また、電車のドアエンジンも圧縮空気の力で扉を開けたり、閉めたりしています。

そのほか、圧縮空気は岩石を砕く削岩機や空気ハンマ、びょうを打つ空気リペッタなどに使われています。

ポンプで上がる水の高さ

ポンプで水を吸い上げることができるのは、実は大気の圧力のためです。
いま、ポンプのピストンが上がったため中に隙間ができたとします。
この部分は真空になっています。

ところが管の外の水面は、大気の圧力で押されているので水が管に押し上げられるのです。

しかし、外の水面を押している大気の圧力の大きさには限度があってその強さは、ふつう1平方センチあたり1キログラムです。

それで、ポンプでくみあげられた水の圧力の強さが1平方センチあたり約1キログラムになるくらいしか上がらないのです。

つまり、どんなによくできたポンプでも、約10メートルの高さまでしか水をくみあげることができません。

トリチェリの実験

むかし、イタリアの物理学者でトリチェリという人はつぎのような実験をして、大気の圧力を測りました。

まず、一方のはしを閉じた、長さ1メートルのガラス管に水銀をつめてその口をしっかりおさえながら、水銀の入っている器の中に逆さまにしてたてました。

はじめ、管内の水銀は少し下がりましたが器の水銀面から76センチの高さのところで、止まってしまいました。

管の上のすいている部分にはなにも入るはずがありませんから、真空であると考えられます。

それで、この部分を、トリチェリの真空と言います。
また、この実験をトリチェリの実験と呼んでいます。

トリチェリの実験で管内に水銀が押し上がるのは管の外の水銀面に、大気の圧力がはたらいているからです。

それで、管を少し傾けても、水銀柱の高さはかわりません。

上の図で、Ａ面にはたらく大気の圧力は、Ａ面と同じ高さにある管内のＢ面に下からはたらく圧力の強さと等しいと考えられます。

Ｂ面では、その上にある水銀柱の重さとつりあっています。

水銀の比重は、13.6ですから、Ｂには、1平方センチあたり、76 × 13.6 = 1033.6（グラム）の圧力が加わっていることになります。

このため、Ａの大気の圧力は、やはり1平方センチあたり約1キログラムの割合ではたらいていることになります。

サイホン

水を入れたビーカーを高いところにおき水をいっぱいにしたビニル管のはしを水に入れます。

そして、ビニル管のもう一方のはしをビーカーの中の水面より低くするとビーカーの中の水はどんどん流れ出します。

このようなしかけを、サイホンと言います。
私たちも、サイホンを使って、ビーカーの水をうつしてみましょう。

サイホンがはたらくのも、水面にかかる大気の圧力のためです。
図のように、Ｃの部分にうすい膜を考えると、この膜は、Ａの水面から。

（大気の圧力）-（h1の水柱による圧力）の圧力で押されています。

また、同時にこの膜はＢの水面から（大気の圧力）－（h2の水柱による圧力）の圧力で押されています。

このとき、h2はh1より長いので、Ｃの部分の膜を考えるとＡの水面からの圧力は、Ｂの水面からの圧力より大きくなるはずです。

そのため水は、ＡのほうからＢのほうへ流れることになるのです。

気圧の単位

気圧の大きさをしめすのに、水銀柱の高さを用いそれをミリメートルの単位であらわすことがあります。

たとえば、水銀柱の高さが、760ミリのときには気圧は、760mmHg（Hgは水銀の記号）であると書きあらわすのです。

また、水銀柱の高さが760ミリのときの気圧を標準気圧と言ってこれを1気圧ということもあります。

気象観測では、気圧をあらわすのにふつう、ミリバール（mbar)という単位を用いています。

これは、1平方センチあたり100万ダイン（1ダインは1グラム重の980分の1の大きさ）の割合で加わる圧力の強さを1バールとして、その1000分の1をミリバールと言うのです。

それで、一気圧は、約1013ミリバールにあたります。

つまり、760mmHg = 1気圧 = 1013mbar
の関係があります。

大気の重さ

まえに、大気は地球を約1000キロの厚さにわたってとりまいいていることを説明しました。
ですから、私たちは、ちょうど大気の海の底に住んでいるようなものです。

このため、海面と等しい高さにいる人や物体は1平方センチあたり約1キログラムの力で押されています。
この力を大気の圧力、または、大気圧と呼んでいます。

この割合で計算すると、人間の頭（横断面積約200～300平方センチ）の上には、いつも200～300キログラムもの重さがかかっていることになり。

地球の全表面積をおおう大気の圧力は5000兆トンを超える、たいへんな力になります。

実験

下の図のように、いっぽうが短いＵ字管を用意して長い方のＡから水を注ぎ、短い方のＢを指でふさいでガラス管を水でいっぱいにします。

いっぱいになったところで、①の図のようにＡをガラス管に空気が入らないようにしっかり指でふさぎＢをあけてみます。

あけても、水はこぼれでません。

ところが．Ａをふさいでいた指をはなすと、②の図のように水はこぼれでて、Ａの水面は、Ｂの水面と同じ高さＣ点まで下がります。

①の図で、水がこぼれでないのは、ＡからＣまでにある水の重さによる圧力とＢの水面で、その水面を上からおさえつける

力とがつり合っているからです。

Ａをふさいでいた指をはなすとＡの水面にもＢと同じように上からおさえつける力がはたらきます。

この場合、Ｂの水面にはＢを上からおさえる力と反対向きにＡＣ間の水の重さによる圧力とＡの水面を上からおさえる力とがはたらくことになります。

したがって、つり合いがとれなくなるので、水がこぼれでるわけです。

この実験で、上からおさえる力が、大気圧と呼ばれるものです。

マクデブルクの半球

大気の圧力は、同じところでは、上下・左右あらゆる方面に等しい大きさではたらいています。

この性質は、水の圧力と似ています。

むかし、ドイツのマクデブルク市の市長にゲーリケという人がいました。
ゲーリケは、直径約40センチの2つの半球を重ねあわせてその中の空気をぬき、それを引き離すのに、どれほど大きな力がいるかを、人々にわからせようとしました。

実際に16頭の馬をつないで、実験したということです。
それで、このような半球をマクデブルクの半球と呼んでいます。

マダデブルクの半球でも、中に空気が入っているとこの空気は広がろうとして、内側から押すことになります。
それで、大気の圧力がまわりから押していてもかんたんに引き離すことができるのです。

ところが半球の中の空気を抜いてしまうと外から大気の圧力が押しているだけで、それを押し返す内部の力はありません。
このため、非常に大きな力でひっぱらないと引き離すことができないのです。

マグデブルグの半球は、丈夫な鋼鉄でできているので中の空気を抜きとってしまっても大気の圧力で押し潰されることはありません。

しかし、ブリキ缶などを用いて同じことをおこなえば缶はすっかり潰されてしまいます。

実験

ドロップや食用油の空き缶を、大気の圧力で潰してみましょう。

まず、缶の中に少量の水を入れて、この水を充分に煮たてます。
すると、缶の中の空気は水蒸気といっしょにほとんど外へ出てしまいます。

つぎに、空き缶を火から遠ざけ、すぐに硬く栓をします。
そして、上から冷たい水をかけてみましょう。
すると、空き缶は冷えて、音を立てて潰れてしまいます。

これは、水蒸気が冷えて水になると、缶の中にはほとんど空気が残っていないので大気の圧力で押し潰されてしまうのです。

ポンプ

かんちょう器の先を水心つけ、ピストンを引くと水は吸い上げれます。
こんどは反対に水の入っているかんちょう器のピストンを押すと水が飛び出ます。

この性質を応用したのが、ポンプで、ポンプには押し上げポンプ・吸い上げポンプ・空気室のあるポンプなどがあります。

押し上げポンプ

押し上げポンプには2つの弁があります。

①図のように、ピストンが止まっているときには
弁は2つとも閉じています。

つぎに、②図のように、ピストンを引き上げると1つ目の弁は閉じたままになっていますが、2つ目の弁は開いて下から水が上がってきます。

これは、かんちょう器の先を水につけてピストンをひくと水が吸い上げられるのと似ています。

こんどは、③図のように、ピストンを押し下げると2つ目の弁は閉じたままになっていますが、1つ目の弁が開いてそこから水が押し上げられます。

これは、かんちょう器のピストンを押すと水が飛び出るのと似ています。
このように、ピストンを動かすと水はつぎつぎに、管に押し上げられます。

吸い上げポンプ

吸い上げポンプの原理も、押し上げポンプと同じです。
こんどは、ピストンを押し下げるほうから考えてみましょう。

ページの①図のように、ピストンを押し下げると1つ目の弁が開いて水がピストンの上にうつります。
このときは、2つ目の弁は閉じています。

つぎに、②図のように、ピストンを引き上げると2つ目の弁が開いて、下から水が上がってきます。

このとき、1つ目の弁は閉じているのでピストンの上の水は、出口からくみ出されます。

このように、吸い上げポンプでもピストンを上げたり下げたりすると水はつぎつぎに、出口からくみ出されるのです。

空気室のあるポンプ

押し上げポンプにはポンプの外に空気室をつけたものがあります。

いま、ピストンを押し下げて水をポンプから押し出すと空気室の空気は押し縮められます。

すると、まえに説明した空気の弾性によってこの空気も、もとの体積にもどろうとして、水面を押し下げます。

このため、ポンプから水が押し出されないときでも水は引き続いて管をのぼっていきます。

このように、押し上げポンプに空気室をつけるとたえず水を押し上げることができるようになります。

吸い上げポンプのつくり方

ポンプをつくるのには、直径が3～4センチくらいの竹を利用します。
まず、片方にふしを残して切り取り、筒の上のところに横から穴を開けて、直径1.5センチくらいの短い竹をはめこみます。
これが、水の出口になるのです。

2つの竹のつなぎめは接着剤を使ってしっかりくくりつけておきましょう。

つぎに筒にした竹のふしのところに穴をあけ、ラムネ玉をのせておきます。
このラムネ玉は、弁のはたらきをしてくれます。

こんどは、水の出口にした細い竹の残りを切って、ピストンのえにします。
この竹の片方には、やはりふしをつけておきます。

そして、ふしのないほうに小さな釘を刺しその上に布をまいて、ピストンをつくります。
ピストンのえの途中に穴をあけ、ゴムの弁を接着剤ではりつければポンプはできあがりです。

このポンプで、洗面器の中の水をくみあげてみましょう。

水素をつめた風船

アルキメデスの原理は、水ばかりでなく、空気についても成り立ちます。

つまり、空気中にある物は、すべてその物と同じ体積の空気の重さに等しい浮力を受けて、その分だけ軽くなっています。

ゴム風船は、空気をつめても浮かび上がりませんが水素をつめると、空気中に浮かび上がります。
これに風船全体の重さより、風船にはたらく空気の浮力のほうが大きいからです。

たとえば、1リットルの水素をつめた風船には約1.29グラムの浮力がはたらきます。

1リットルの水素の重さは約0.09グラムですから
1.29 – 0.09 ＝ 1.20（グラム）
だけの力を受けて、この風船は空気中に浮かび上がるのです。

しかし、実際には風船や糸の重さがあるので風船を浮かせる力はもっと小さくなります。

物の重さと空気の浮力

空気中で物の重さを測ると、その値は本当の重さとは、少し違ってきます。

たとえば、ばねばかりで物の重さを測ると空気による浮力だけ小さい値があらわれてくるからです。

式であらわすと、測った値＝（本当の重さ）-（空気の重さ）になります。

そのため、本当の重さを知るには測った値に空気の浮力を足してやらなければなりません。

しかし、空気の重さは、ふつうの物の重さにくらべて非常に小さいので私たちがふつうに物の重さを測るときには空気による浮力を考えないことにしています。

気体の比重

空気より比重の小さい気体を風船につめるとその風船は、空気中に浮かびあがります。

たとえば、ヘリウムという気体は、その比重が空気の約0.14倍なので大きな気球を飛ばすときに使われます。

いろいろな気体の比重を調べると、空気の比重よりも大きいものも小さいものもあります。

たとえば、酸素の比重は、空気の約1.1倍でアンモニアは空気の0.597倍にあたります。

空気の重さと浮力

私たちは、空気を見ることも、手で掴むこともできません。

しかし、空気は草や木が成長するときにも、また、私たちが呼吸をしたり、あるいは、物が燃えたりするときにも、なくてはならないものなのです。

空気は、私たちの頭の上ばかりでなく体内にも、体の周りにも、いたるところにあります。

そこで、空気にはどんな性質があるか、調べてみましょう。

空気の色とにおい

スポイトの先を水の中に入れ、頭についているゴムを押すとぼこぼこと泡が出てきます。

これは、スポイトの中の空気が出てきたのです。

また、空のコップをふせたまま水の中に押し込んでみると、コップの中に水はあまりあがりません。
この水のないところには、空気が入っているのです。

コップを少しずつ横に傾けるとやはり中の空気が泡になって外へ出ていきます。

また、ゴム風船をふくらませて、手をはなすと、風船は前へ飛出します。
これは、風船の中の空気が目には見えませんが、勢いよく外へ出るのでその反動で風船が押されるからです。

ふつうの空気には、色もないし、においも、味もありません。

空気の通る道

空気には、どんな小さな隙間にも入っていこうとする性質があります。
それで、特別に空気を抜いたところのほかはたいていのところに空気が入っています。

今、水をいっぱい詰めたサイダー瓶を、逆さにしてみましょう。
水が外へ出ていくとき、空気が泡になって瓶の中に入っていくのが見えます。

これは、水がでたあとに隙間ができるとその隙間を埋めようとして、空気が瓶の中に入り込むからです。

また、缶入りのジュースをコップにうつすのに1つだけ穴を開けたのではジュースがよくでません。

これも、缶の中に空気が入りこもうとしてジュースが出ていくのを邪魔するからです。

このため、別のところにもう1つ空気の入る穴を開けるとこんどはよく出るようになります。

また、醤油瓶から、醤油を出すとき空気の取り入れ口をつけた栓をすると、醤油が、よくでます。

空気の弾性

みなさんは、紙玉鉄砲で遊んだことがあるでしょう。
玉をうつためには、まず1つ目の玉を筒の先に押し込みつぎに、2つ目の玉を強く押し込むと、先の玉が飛出します。

これは2つ目の玉を押して、玉と玉のあいだの空気を押し縮めるとその空気が、もとの体積まで広がろうとして1つ目の玉を強く押し出すからです。

これは、ゴムひもを伸ばしておいて、その力を急に緩めるとゴムひもがもとの形にもどるのと同じです。

このような性質を弾性と言います。
紙玉鉄砲で玉を撃つことができるのも、空気に弾性があるからです。

そのほか、自転車に使う空気ポンプの空気の出口を硬く閉じてポンプのピストンを強く押すと、逆に押し返されるのも空気の弾性によるものです。

また、ゴムまりやフットボールのたまが弾むのも地面にあたって縮んだ空気が、もとの体積にふくれるのでその力で飛び上がるのです。

混合物としての空気

空気は物が燃えるのに役立つ気体とそうでない気体とが混ざりあったものです。

物が燃えるのに役立つ気体は酸素で、その量は空気の体積の約5分の1です。
また、物が燃えるのに役立たない気体は、おもに窒素でその量は空気の体積の約5分の4です。

このほかにも少量の水蒸気や、二酸化炭素もふくまれています。
また、アルゴン・ネオン・ヘリウムなどの気体もあります。
空気は、このようないろいろな気体がまじりあった混合物なのです。

また、ふつうには、空気は気体ですが、押し縮めた空気を急に膨張させると温度が下がる性質があります。

そして、零下190度ほどになると空気はついに液体になってしまいます。
これを、液体空気と呼んでいます。

液体空気をほうっておくと、はじめに窒素の多い気体が蒸発するのであとに残る気体には、酸素が多くなります。

そこで、この性質を利用すると、液体空気から窒素と酸素とをわけることができます。

空気の広がり

私たちの周りにある空気は、空の高いところまで広がっています。
そして、この空気の厚い層が地球を取り巻いています。
このような厚い空気の層を、大気とよんでいます。

また、空気は、地球の表面から遠くはなれるにつれてしだいにうすくなります。
全体の空気の約半分は、5.5キロメートル以下のところにあると言われます。

大気がどのくらいの高さまであるかよくわかりませんが学者たちは、オーロラのあらわれる高さから考えて少なくとも、地上1000キロメートルまで、空気があると考えています。

空気の重さ

空気に重さがあるなどと言うと、不思議に思う人もいるかもしれません。

しかし、ガリレオ・ガリレイという人は、つぎのような方法で空気にも重さがあることを確かめました。

ガリレオは、まず大きなガラスの瓶の中に、空気をポンプで押し込みこの瓶を測りにかけてつり合わせました。

つぎに瓶の栓を開けて重さを測ると、瓶の中の空気の一部分が逃げ出して、瓶のほうが軽くなるので、重りが下がりました。

このとき、もし、逃げ出した空気と同じ重さの重りを瓶のほうにかければ、測りはふたたびつり合うはずです。
このことから、空気にも重さがあることがわかりました。

あとで、ガリレオはもっとくわしく調べて同じ体積の水の重さの400分の1であるとしました。
しかし、現在では、水の重さの約800分の1であることがわかっています。

空気の重さの測り方

私たちはガリレオとは別の方法で、空気の重さを測ることができます。

それには、まずフラスコの空気を抜き取ってそのときのフラスコの重さを測ります。

つぎに、フラスコに空気を入れて、もういちど重さを測ります。
このとき増えた重さがフラスコの中に入った空気の重さです。

また、フラスコの容積を測り、空気の重さをフラスコの容積でわれば1立方センチあたりの空気の重さがわかります。

実験

まず、200立方センチくらいのフラスコに少量の水を入れ、ガラス管の先にゴ厶管をつけた栓をします。

そして、アルコールランプで、フラスコの水に立てます。
すると、フラスコの中の空気は水蒸気といっしょにほとんど外に出てしまいます。

つぎに火を消し、すぐにゴム管を曲げてピンチコックではさみます。
そして、フラスコを水で冷やしてから、フラスコ全体の重さを測ります。

水蒸気は、水になると、その体積が約1650分の1に減るのでこのフラスコの中は、ほとんど真空に近い状態になっています。

こんどはピンチコックを開いてフラスコに空気を入れもういちど重さを測ってみましょう。
このとき増えた重さが、空気の重さです。

最後に、メスシリンダを使ってフラスコに何立方センチの水が入るか調べてみます。

こうして容積を測ってから、空気の重さを容積でわって1立方センチあたりの空気の重さを出してみましょう。

くわしく調べると、0℃一気圧のときの空気の重さは1立方センチあたり、0.001293グラムです。

つまり、1リットルあたり、約1.29グラムです。