飛行機や標高の変化の話で、耳が詰まったように感じる現象が紹介されることがあります。中学入試の理科として考えたいのは、対処法ではなく、鼓膜の両側にある空気の圧力です。「高い所だから耳の中の空気が必ず外へ出る」と覚えるより、どちら側の圧力が大きいかを図に書くと、条件が変わっても判断できます。
鼓膜の向こう側にも空気がある
耳の穴から奥へ進んだ所に鼓膜があり、その内側には中耳という空間があります。中耳は耳管という通路で鼻の奥につながっています。耳管は常に開いたままの管ではなく、開くことによって中耳と外との圧力の差を調節する働きがあります。空気が鼓膜の表面を貫いて出入りする、と考えないようにしましょう。
ここでは、耳の穴の側を「外側」、中耳の側を「内側」と呼びます。外側からも内側からも空気は鼓膜を押します。片側にだけ空気があるわけではありません。両側の圧力が等しければ、圧力差による一方への押しはつり合います。圧力が違う場合には、圧力の高い側から低い側へ向かう押しが残ります。
周囲が変わった直後を切り取る
外側の気圧が下がっても、中耳の気圧がすぐ同じ値になるとは限りません。耳管を通じた調節がまだ起きていない瞬間を考えると、内側の方が高くなり、鼓膜は外側へ押される向きになります。逆に、外側の気圧が上がり、内側の気圧がすぐには変わらないなら、鼓膜は内側へ押される向きになります。
この説明で必要なのは「直後」「まだ変わらない」という条件です。時間がたって圧力が調節された後まで、同じ差が必ず続くわけではありません。グラフに外側の気圧と内側の気圧が別々に示されていたら、一方の線だけを見ず、同じ時刻の二つの値を比べます。上昇中か下降中かという言葉だけで答えず、数値の関係を優先します。
例題1｜圧力差の向きを読む
単位をそろえた模型の圧力で考えます。状態Aでは外側100、内側100でした。状態Bでは外側90、内側100、状態Cでは外側100、内側90でした。鼓膜に相当する膜は、BとCでそれぞれどちらへ押されるでしょうか。圧力差の大きさも答えてください。
Bは外側へ、Cは内側へ押され、差はどちらも10です。 Bでは内側の100が外側の90より大きく、Cでは外側の100が内側の90より大きいからです。差の大きさが等しいことと、押される向きが等しいことは別です。引き算だけを書いて終わらず、どちら側が高いかも記入しましょう。値は考え方を学ぶための模型の設定です。
例題2｜調節が終わった後を判断する
外側90、内側100の状態から、模型の調節用の管を開きました。十分時間がたつと、外側も内側も90になりました。次の説明のうち、適切なのはどれでしょうか。ア「内側の圧力がゼロになった」。イ「空気はあるが、両側の圧力差がなくなった」。ウ「膜に穴が開いて空気が通った」。
答えはイです。 内側は100から90になったのであって、ゼロになったのではありません。また、空気の移動経路として設定したのは調節用の管です。膜を空気が通ったとは言えません。圧力差がゼロという結果を、空気の量がゼロ、圧力がゼロ、膜がなくなった、と読み替えないことが重要です。
音の振動と、ゆっくりした圧力差を分ける
鼓膜は音によって振動することも学びます。音では空気の圧力の変化が伝わってきて、鼓膜を振動させます。一方、このページでは、両側の圧力がしばらく違う状態を比べています。同じ鼓膜を扱っていても、振動の速さから音の高さを考える問題と、内外の圧力差の向きを考える問題は分けて読みます。
例えば、図の膜が大きく曲がっていたとしても、その図だけから「高い音が聞こえる」とは言えません。音の高さを考えるには、振動の回数など別の情報が必要です。また、膜の曲がり方を実物と同じ割合で描いているとは限りません。模式図の矢印は向きを伝えるためのものか、力の大きさも表すのか、凡例で確かめます。
模型を用いるなら、膜の左右の圧力と、それを調節する通路を紙の上で示せば十分です。自分の耳に強い圧力を加えて確かめる必要はありません。この教材の狙いは、人体のしくみを入口に、二つの値の差と時間の変化を読むことです。「外と内」「変化の直後と調節後」を分けて書けると、風や容器の空気圧の問題にも通じる考え方が身につきます。
図を回転しても、内側は入れ替わらない
この図では左を外側、右を中耳にしましたが、反対向きに描かれた図も考えられます。用紙上の左へ動くと覚えると、反転しただけで答えが変わってしまいます。「中耳から耳の穴の側へ」という器官を基準にした言い方を添えておくと、左右の配置に依存しません。左耳と右耳の絵を見比べる場合にも、外側という語は同じ方向の矢印を意味しないと分かります。
圧力の数値に色を付けるなら、高い方に赤丸を一つ付け、その側から膜を押す矢印を描いてください。先に曲がった膜を見て数字を想像するのではなく、与えられた数字から向きを導く順番です。曲線のふくらみを読み違えても、二つの圧力を比較する手順に戻れば訂正できます。