中学受験理科｜アネロイド気圧計の仕組み｜金属の箱の変形と目盛り

壁に掛かった丸い気圧計の中に、液体の柱が見当たらないことがあります。アネロイド気圧計では、空気を一部抜いた薄い金属の箱が外側の気圧によって変形し、その小さな動きを機構で広げて針に伝えます。「気圧が変わる」と「針が動く」の間には、金属の変形と動きを伝える部分があります。ここを順に追うと、気圧計をただ天気の絵を指す道具として覚えずにすみます。

金属の箱とばねのつり合い

外の圧力が大きくなると、薄い金属の箱を内側へ押す作用が強くなります。一方、箱の弾性やばねが変形に抵抗します。圧力の差による作用と、戻ろうとする作用がつり合う位置が変わるため、箱がわずかに縮んだり広がったりします。箱の中が普通の空気で満たされた密閉容器と同じではなく、内部の気体を少なくしてあることも仕組みの一部です。

そのままでは小さすぎる動きを、てこや歯車などを組み合わせて針の目立つ動きにします。ただし、動きを大きくすると測定の誤差までなくなるわけではありません。針が大きく動くことは、圧力の変化を見やすくする工夫です。どれだけ正確かは、既知の圧力と照合して目盛りを確かめる作業が別に必要になります。

圧力差を、箱の変形から針へ伝える。数値は本文の例題模型。形は模式図です。

例題1｜模型の目盛りを読む

校正した模型では、圧力1000hPaのとき針の位置が20目盛り、1020hPaでは30目盛りでした。この範囲で圧力と針の位置が直線関係にあるとします。針が26目盛りなら圧力は何hPaですか。

答え・解説：圧力20hPaの増加が10目盛りに対応するので、一目盛りは2hPaです。20目盛りから6目盛り進んだため、1000＋6×2＝1012hPaです。26に2を掛けた52hPaではありません。この目盛りのゼロ点は圧力ゼロを示していないので、基準点からの変化として計算します。

例題2｜表示のずれと変化量

ある計器は標準器が1000hPaのとき1004hPaを示しました。数時間後に1009hPaを示したとき、同じ4hPaのずれが続いていると仮定します。後の真の圧力と、最初からの増加量を求めましょう。

答え・解説：後の圧力は1009−4＝1005hPaで、増加は5hPaです。最初と後の表示差も1009−1004＝5hPaとなります。一定のずれは差を取ると消えますが、実際のずれが温度や圧力で変わる場合には、この補正だけで十分とは限りません。設問の「同じずれ」という条件が計算を支えています。

気圧計を持って階段を上がったら

気圧の変化には、気象の変化だけでなく測定場所の高さの変化も関係します。屋外から高い階へ計器を移し、指示が下がったとき、すぐに低気圧が来たとは言えません。天気の変化を追うなら測定する高さをそろえます。異なる地点の気象を比べるための補正と、計器自体の表示のずれの補正も別の作業です。

円形の文字盤に「晴」「雨」などが書かれていても、針の位置だけで未来の天気が必ず決まるものではありません。現在の圧力、上昇中か下降中か、周囲の気象の様子を組み合わせます。針を一回読んだだけの資料と、数時間おきに連続して読んだ資料では、判断できることが違います。この記事の校正表は、天気を当てる規則を示したものではありません。

金属の箱が一度縮んだ後、気圧が元に戻っても針が全く同じ位置へ戻らない場合には、機構の摩擦や材料の性質も調べる候補になります。往きと戻りを比べる記録があれば、一方向だけの測定では見えない癖を見つけられます。「感度が高い」「誤差が小さい」「素早く応答する」は同じ長所ではなく、実験表のどの項目に表れるかを分けて説明しましょう。

小さな動きを広げるときに失うもの

箱の変形が0.1mm変わるたび針先が2mm移動する模型なら、見かけの動きは20倍です。しかし、針先を動かすための力まで20倍に増えていると考えるのは違います。てこの働きで移動距離を大きくするときには、力と距離の兼ね合いがあります。針を手で押さえたまま測れば、測定する箱の変形まで妨げる可能性があります。表示部を軽く作る意味を、動きを伝える仕組みと結び付けて考えられます。

二つの計器が同じ圧力で違う位置を示す場合、ゼロ点のずれだけとは限りません。低い圧力では同じでも、高い圧力ほど差が広がるなら、目盛りの倍率の違いを疑う必要があります。一点だけを合わせた補正は全域の一致を保証しません。既知の圧力を二点以上で与える記録があれば、平行にずれた関係か、傾きが違う関係かを図で区別できます。計器の数字を信用する前に、その数字と標準の対応表を読む姿勢が大切です。

時計のような円形でも、針が一周するたびに圧力がゼロへ戻る装置ではありません。目盛りの数字と回転角の関係を見て、読める範囲を確認します。文字盤の端に達した針を、それより高い圧力でも同じ値と記録すれば上限を超えた情報を失います。測定器の範囲外は、変化がなくなったのではなく、道具がそれ以上を表示できない状態かもしれません。この区別は気圧計だけでなく、温度計やばねばかりの表を読むときにも使えます。