DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

圧力とは何なのか? 実は1気圧はとんでもなく強かった!

 今回の記事は圧力について書いていきたいと思う。

目次

1. 圧力とは?

 圧力という物理量は単位面積あたりにかかっている力のことであり、単位としてパスカル(Pa)を用いる。1パスカルは単位面積(1 ㎡)あたりにかかる力(1 N)なので単位はN/㎡と表記される(Nはkg m s^-2なのでkg m^-1 s^-2とも表わされる)。

 そして、1パスカルの大きさは上記のように1 ㎡の面積に1 Nの力がかかる大きさであり、力は質量に加速度をかけた物理量である。また、ここでの加速度は地球の重力加速度(9.8 m/s^2)のことなので1 Nの力とは102gの物体にかかる力のことである。

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 上図が1パスカルの説明であり、地球上では102g程度の質量となるが重力の小さい火星や月だと1Nを作り出すにはさらに大きい質量が必要となる。

 そして、地球の気圧は1,013ヘクトパスカルであるがヘクト(Hecto)と言うのは単純に100倍を示す接尾辞なので1,013ヘクトパスカルは101,300パスカルということになる。このように聞くと地球の圧力は大変大きいように見えるが実際に大気圧は非常に大きく、地上では1 ㎡に10.34トンほどの物質が乗ったほどの圧力がかかっている計算となる。この質量は空気の質量であり、地球上には相当な量の空気があることが分かる。

 また、10.34トンともなると地上最大の重さを誇る動物であるアフリカゾウの体重を余裕で超えるほどの質量であり、このような質量のものを載せるとまず圧死する。けれどもこれは1 ㎡にかかる力のことであり、実際に人体にかかる力はこれよりも小さい。

 ここで人体の面積を25×25(㎠)と置くと1 ㎡の16分の1となるので実質掛かる圧力は646 ㎏ほどとなり、1 tはないもののドラえもんの体重の5倍程度の質量もあり、これでも非常に重いことが分かる。

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 このようにたとえ人体だけに限定してもとんでもない質量がかかっており、1気圧の大きさと空気の量の多さが分かる。

 しかし、これほどすさまじい力がかかっているのにもかかわらず生命体が耐えられるのは1気圧に適応したように作られているからであり、逆に圧力が小さくなると抑えるところも抑えられなくなり、高山病のような症状となる。

 逆に気圧を加えると押しつぶされてしまうが世の中には深海魚のような超高圧に適応した生物も存在しており、これらの生物は逆に1気圧だと弱すぎて破裂するようになる。

2. 水圧の強さ

 大気圧は文字通り大気による圧力のことだがが水圧は言うまでもなく水による圧力である。例えばプールに1mほど潜るとかなりの圧迫感を感じるがあの圧迫感は水圧によるものである。

 では、水深1mの圧力はどれほどのものなのだろうか?

 ここで、水の密度を1g/㎤と置くと...

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実は大気圧の10分の1も無く、意外なほど小さいもののそれでも相当な圧迫感を感じるので大気圧は見えないだけで非常に大きいことが分かる。

 では、水圧は水深何メートルで大気圧と同じになるかと言うと10.337mほどで大気圧と同じ力がかかるようになる。もちろん大気圧も加わっているので水深10.337mでは2気圧かかっており、ここまで来ると相当な圧力となる。

 つまり、水圧は10.337m潜るたびに1気圧ずつ増えていき、100m潜ると10.67気圧ほどかかるようになる。そして、当然ではあるが深海魚はこれ以上深いところに生息しており、2017年現在最も深い箇所に生息する深海魚は水深8,178mもの深さの所で生息しているほどである。ここまでくると水圧も異常なことになっており、何と792気圧程度と極端に高くなっている。

 この気圧は金星の気圧の9倍近くもあり、金星に送りこまれた探査機が90分ほどで潰された事例があるので圧力に対する耐性の面ではこの深海魚が探査機を圧倒している。

 まあ、探査機は1気圧の環境で作られているので潰れると言ったら潰れる上にこの深海魚は当然ではあるが792気圧に適応できるような体となっているため、地上に持っていくと当然破裂することとなる。

 けれども792気圧と言う圧力は1㎡あたりに8,188トンの力もの力がかかっているほどであり、1 ㎠当たりでも818.8㎏の力がかかっている計算となる。つまり、深海魚はこの圧力に適応していることとなり、非常に耐圧性が高いことが分かる。

 以上、圧力についてでした。