ストローで水を飲むとき、口が水をひものように引っ張っているわけではありません。ストローの中の空気の圧力を下げると、コップの水面を押している外の空気との間に圧力の差ができ、水がストローの中を上がります。「吸う」という日常の言葉を、どこで何が起こるのかに分けると、仕組みが見えてきます。
考えるのは、ふたのないコップに水を入れ、ストローの下端を水につけた状態です。水面には部屋の空気が触れています。ふたで密閉した容器は、この条件とは異なります。入試の図でも、容器の口が開いているか、空気の出入り口があるかを最初に確認しましょう。
吸う前にも、空気は水面を押している
何もしていないとき、コップの水面にもストローの内側にも空気の圧力がかかっています。ストローが太さの十分ある普通のもので、細い管で起こる毛細管現象を考えないなら、内外の水面の高さはほぼそろいます。ストローを差しただけで、水がどんどん口まで上がるわけではありません。
ここで「空気は軽いから、押す力はない」と考えないこと。空気にも重さがあり、私たちは大気の圧力を受けています。普段つぶされずに生活できるのは、外からの圧力だけを一方的に受けているわけではないからです。ストローでも、片側の圧力だけを見て説明するより、内側と外側を比べる方が筋道が立ちます。
口でストロー内の空気を吸い出すと、内側の圧力が低くなります。水面の外側には大気圧がかかったままなので、その差によって水が管内を押し上げられます。「外の空気があること」と「中の圧力を下げること」の両方がそろっているのです。
水が高くなるほど、支えるものも増える
水がストローの中を上がると、外の水面より上にある水の柱が長くなります。その水の重さを支える必要があります。静かに止まった状態なら、内外の圧力の差と水柱による圧力がつり合います。したがって、口の働きだけで水をどこまでも高く上げられる、という説明にはなりません。
この段階で難しい式を覚える必要はありません。「水を高い位置まで支えるほど、大きい圧力差が必要」という向きを押さえます。水面から口までの高さを考えるのであって、ストローの曲がった部分も含めた全長だけで判断するのではない点にも注意しましょう。実際に流れるときには管の抵抗なども関係しますが、まずは止まった水を支える条件から整理します。
図の下向き矢印は、水面に働く外の空気の圧力を示しています。大気圧が下向きにしか働かない、という意味ではありません。空気の圧力は、接している面をさまざまな向きから押します。この図では、水を押し上げる仕組みを読み取るために必要な部分を取り出しています。
空気の通り道が増えると、説明も変わる
ストローの、水面より上の側面に穴があるとどうなるでしょう。穴から外の空気が入り込むと、ストローの中の圧力を下げにくくなります。そのため水を吸い上げにくくなります。「穴から水が全部漏れるから」と答える前に、穴が水面より上なのか下なのかを確かめてください。水面より上の穴では、まず空気の出入りが問題になります。
反対に、硬い容器をふたで密閉し、ストローの周囲にもすき間がない場合はどうでしょう。水が外へ出ると、容器の中の空気が占める場所は広がります。外から空気が補われなければ、その空気の圧力は下がり、開いたコップとは条件が変わります。容器の形がつぶれないことも、考える条件の一つです。
このような比較では、ストローの形だけを見て終わらず、水面に触れている空気が外とつながっているかを指でたどると分かりやすくなります。ふたの有無を飾りとして見過ごさないことが、実験図を読む練習になります。
例題1｜穴の位置から説明を選ぶ
ストローの水面より上に小さな穴があることに気づきました。穴を指でふさぐと飲みやすくなりました。「ふさいだので水の出口が減った」「ふさいだので外の空気が入らなくなった」のどちらが、この観察の説明として適切ですか。圧力という言葉を使って答えてください。
答え・解説：後者です。穴をふさぐと外の空気が入り込みにくくなり、吸ったときにストローの中の圧力を下げやすくなります。外の水面側との圧力差をつくりやすくなったため、水が上がりやすくなりました。穴がどこにあるかを問題文から拾うことが、説明を決める出発点です。
例題2｜密閉容器で条件を一つ戻す
硬い密閉容器からストローで水を取り出すモデルを考えます。水が減るにつれて取り出しにくくなりました。ストローを変えずに、容器の水面に触れる空気を、開いたコップと同じ条件に近づけるには、ふたにどんな変更を加えればよいでしょう。
答え・解説：水面より上の空間へ外の空気が入れる通気口を設けます。空気が補われれば、水が減ったことによる容器内の圧力低下を抑えられます。「ストローの側面に穴を開ける」とは場所も働きも違います。前の例題ではストロー内の圧力を下げたいのに、そこへ空気を入れていました。今回は容器側に空気を補うのです。
空気の量と水の深さを別々に考える
空気を押し縮めたときの体積と重さでは、出入りを止めた空気の状態を追います。水圧と深さでは、水の深さによる違いを整理できます。ストローは、その両方を一つの図の中で考える題材です。家庭で確かめるなら飲用の水と清潔な道具だけを用い、理科の実験液を口で吸うことはしないでください。