【理科】国語辞典でわかる！水圧の仕組みと浮力が生まれる本当の理由を徹底解説

ミライくん、これから理科のテストでもよく狙われる、水圧というテーマについて一緒に勉強していこう。水圧って言葉、これまでに聞いたことはあるかい。

素晴らしい。まさにその通りだよ。深く潜れば潜るほど、耳が痛くなる。それは、ミライくんの体に大きな水圧がかかっているからなんだ。でも、そもそも水圧って、一体どうして生まれるものなのか、イメージしたことはあるかな。

そうだよね。目に見えないから不思議に思うのは当然だよ。じゃあ、分かりやすくするために、ちょっと想像してみてほしい。ミライくんの頭の上に、分厚い国語辞典を1冊載せたとしよう。どう感じるかい。

じゃあ、その国語辞典を、頭の上に10冊、20冊と、どんどん積み上げていったらどうなる。

そうだよね。その「押しつぶされそうになる重み」の正体は、国語辞典の重さ、つまり地球が国語辞典を引っ張る重力だ。実は、水圧もこれと全く同じ仕組みんだよ。ミライくんがプールに潜っているとき、ミライくんの頭の上には、たくさんの水が存在している。その水の重さが、ミライくんの体を上からギューギューと押しつけているんだ。これが水圧の正体なんだよ。

お風呂に入ったり、コップの水を飲んだりするときは軽く感じるかもしれないね。でも、バケツに水をいっぱいに汲むと、持ち上げるのが大変なくらい重くなるだろう。プールや海には、それこそ何トン、何万トンという想像もつかないくらいの大量の水があるんだ。深く潜れば潜るほど、自分の頭の上に載っかる水の量が増えていく。だから、深く潜るほど重みが増して、耳が痛くなるんだよ。

その通り。理解が早くて先生も嬉しいよ。じゃあ、ここでミライくんに1つクイズを出してみよう。水圧っていうのは、上から載っかってくる水の重さだと言ったよね。じゃあ、水圧は「上から下に向かって」だけかかっているのかな。それとも、横や下からもかかっているのかな。

そう思うよね。よし、じゃあ別の実験を頭の中でしてみよう。透明なプラスチックの筒を用意して、その底にゴム膜をピンと張る。この筒を、水の中にまっすぐ沈めていくと、底のゴム膜はどうなると思う。

大正解。プラスチックの筒を水の中に沈めると、底にあるゴム膜は、下から水に押し上げられて上に凹むんだ。これはつまり、水が「下から上に向かって」ゴム膜を押している証拠だよね。上にある水の重さが原因なのに、どうして下からも力がかかるんだろう。

それはね、水が「液体」だからなんだ。もしこれが国語辞典のような固いものなら、真下にしか力はかからない。でも、水は自由に形を変えられる液体だろう。上から強い力でギュッと押されると、水分子同士が押し合って、あらゆる隙間に逃げようとするんだ。満員電車を想像してみてごらん。上や後ろから人がどんどん押し寄せてきたら、自分の体は前だけじゃなく、左右の横側からもギューギューに圧迫されるよね。

それと同じことが水の中で起きているんだ。上からの重みが原因なんだけど、水がギュッと押しつぶされることで、力があらゆる方向に分散する。だから、水圧というのは、上からだけじゃなく、下からも、横からも、あらゆる向きから垂直にかかるという性質を持っているんだ。

その通り。じゃあ、もう1つ大事な実験の話をしよう。今度は、ゴム膜を張ったプラスチックの筒を、同じ深さのまま、向きだけをぐるぐると変えてみる。上に向けてみたり、横に向けてみたり、下に向けてみたりするんだ。このとき、ゴム膜の凹み方は変わると思うかい。

素晴らしい。大正解だよ、ミライくん。同じ深さであれば、向きをどう変えても水圧の大きさは全く変わらないんだ。これを理科では「あらゆる向きから同じ大きさの力がはたらく」と表現するよ。

よし、基本はバッチリだね。じゃあ、ここからがテストで一番みんなが引っかかる、そして一番面白い「浮力（ふりょく）」という話に繋がっていくよ。ミライくん、水の中に物を入れると、ぷかぷかと浮いたり、軽くなったりするよね。あの、水が物体を上に押し上げる力のことを浮力って言うんだ。

そうだよ。じゃあ、どうして水の中に物を入れると、上向きの力である浮力が生まれると思う。これ、実はさっき勉強した水圧と深さの関係が理由なんだ。

実は、表裏一体のものなんだ。ここに、四角い形をした直方体の木を想像してほしい。この木を、水の中に完全に沈めたとするね。このとき、木の「上の面」と「下の面」に注目してみてほしいんだ。上の面と下の面、どちらの方が水面からの位置が深いかな。

そうだね。下の面の方が深い場所にある。じゃあ、さっき勉強したルールを思い出して。深さが深い場所と、浅い場所では、水圧の大きさはどう違っていたかな。

その通り。大正解。上の面を下に押し下げる水圧よりも、下の面を上に押し上げる水圧の方が、圧倒的に大きいんだ。横の面からかかる水圧は、右からと左からで同じ深さだから、お互いに打ち消し合ってゼロになる。だけど、上下を比べると、下の面から突き上げる力の方が勝ってしまうんだ。この「下の面が受ける上向きの力」と「上の面が受ける下向きの力」の差こそが、物体を上に押し上げる力、つまり浮力の正体なんだよ。

そうなんだよ。だから、浮力というのは水圧の差によって生まれるものなんだ。じゃあ、ミライくんにまた質問ね。この木を、もっともっと深い場所に沈めたとしたら、浮力の大きさはどうなると思う。深くなればなるほど、水圧はどっちの面も大きくなるよね。

そう考えてしまう人がものすごく多いんだ。でもね、答えは「深く沈めても、浮力の大きさは変わらない」なんだよ。

落ち着いて数字で考えてみよう。例えば、浅い場所で、上の面にかかる水圧の強さが「2」で、下の面にかかる水圧の強さが「5」だったとしよう。このときの差はいくつだい。

そうだね。じゃ大、この木をそのままの形で、もっと深い場所に移動させる。深くなったから、上の面にかかる水圧は「20」に増えたとしよう。じゃあ、下の面にかかる水圧はいくつになると思う。上の面と下の面の「深さの離れ具合」、つまり直方体の高さは、深い場所に行っても変わらないよね。

その通り。じゃあ、深い場所での下の面「23」と、上の面「20」の差を計算してみて。

気づいたね。どれだけ深く沈めても、上の面と下の面の深さの差（つまり物体の高さ）が変わらない限り、水圧の「差」はずっと同じままなんだ。浮力の正体は水圧の「差」だったから、物体が完全に水の中に沈んでしまえば、どれだけ深く沈めても浮力の大きさは変わらないんだよ。

それは良かった。これで水圧と浮力の仕組みは完璧だ。自信を持ってテストに挑めるよ。