同じ水なのに大違い！ペットボトル水圧実験で学ぶパスカルの原理

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

同じ「水」なのに、飛び出す場所が違うだけで、その勢いがまったくの別物になる——そんな不思議な現象を、あなたは体感したことがありますか？今回ご紹介するのは、理科の授業でおなじみの「水圧」の実験です。麦茶ボトルの上・中・下に穴を開けて水を注いだとき、それぞれの穴からどんな水の軌跡が描かれるのか。その様子を映像に収めてみました。

麦茶ボトル

ハンダゴテで穴を開けました。

さあ、シンキングタイムです！

映像を見る前に、少しだけ頭を働かせてみましょう。

・上の穴から出る水が一番勢いがいい？
・それとも下の穴から出る水が一番勢いがいい？
・水の勢いはすべての穴で同じ？

頭の中でじっくりと水の動きを想像してみてください。三つの答えのうち、正解はどれでしょうか。わかりやすいように水に色をつけて実験をしてみました。

答え合わせ！実際にやってみると…

さて、答え合わせです。実際に水を注いでみると、結果は動画のようになります。

一番下の穴から出る水が最も勢いよく、遠くまで飛んでいくのが分かりますね。一方で、真ん中の穴からはそこそこの勢いで、一番上の穴からはちょろちょろとしか水が出てきません。同じボトル、同じ水なのに、まさに三者三様の飛び出し方です。

こちらは麦茶ボトルの様子です。

こちらはペットボトルでの実験例です。

 

なぜ、このような差が生まれるのでしょうか。この現象の鍵を握るのが水圧です。水圧とは、水の重さによって生じる圧力のこと。水は重力の影響を受けるため、深い場所にある水ほど、その上にある大量の水の重さを支えなければなりません。つまり、深ければ深いほど、より強い圧力がかかるのです。

想像してみてください。プールの底に立つと、水面近くに立つよりも、体にぐっと圧迫感を感じませんか。あれこそが、水圧が深さとともに強くなっている証拠なのです。この実験では、一番下の穴が最も深い位置にあります。そのため、その上にあるすべての水の重さがのしかかり、強い水圧がかかります。結果として、水は勢いよく飛び出していくのです。反対に、一番上の穴は水面から最も近いため、かかる水圧はほとんどありません。だから、ちょろちょろとしか水が出ないわけです。

実は、深さだけがポイント。量は関係ない？

ここで、少しだけ発展的な話をご紹介します。実は水圧は、ペットボトルの太さや水の量そのものではなく、あくまで「水面からの深さ」だけで決まります。極端な話、同じ深さであれば、バケツ一杯の水でもプール一杯の水でも、穴からかかる圧力は変わらないのです。これは少し意外に感じるかもしれませんが、水圧が「その真上にある水の柱の重さ」によって決まるためです。横に広がっている水がどれだけ多くても、真上に積み重なっている水の高さが同じなら、圧力は同じになる、という仕組みです。この性質は「パスカルの原理」とも深く関わっており、水圧の世界の奥深さを感じさせてくれます。

今回の実験で、身近な水が持つ「力」の一端を感じていただけたのではないでしょうか。たとえばダムの壁は、上部よりも下部の方が厚く作られていることが多いのですが、これはまさに、深い場所ほど強い水圧がかかることを見越した設計です。水圧というひとつの物理法則が、巨大な建造物の形すら決めているのだと思うと、なんだかロマンを感じませんか。ペットボトルの穴という小さな実験の向こうに、ダムという巨大な建造物の設計思想までつながっている。これもまた、科学のおもしろさのひとつだと思います。ぜひ、身の回りの水の流れに隠された力を探してみてください。

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