簡単でわかりやすい！圧力と力の違いとは？例題も理系ライターが詳しく解説

ライター／R175

理科教員を目指すブロガー。前職で、真空チャンバーや高温熱処理設備を扱っていた。その経験を活かし、理科で習う内容と実際の現象を結びつけて分かりやすく解説する。

1.圧力とは

image by iStockphoto

圧力は字の通りある面を「圧（お）す」ための「力」です。

身近な例では、「気圧」や「水圧」などがイメージされるでしょう。トンネルに入ると気圧が低く耳に違和感を感じ、プールや海で深く潜ると水圧が高くなり耳がお押されるように感じる。これらは気体や液体による圧力の影響で起こっています。

圧力は面積当たりにどのくらい力がかかっているかを表す指標で、「底面積が1m^2で重さが1Nの箱を置いたとき、地面にかかる「力」は1N、「圧力」は1Paです。」という例がよく出てきます。

しかしこの例だと、「圧力」と「力」を直感的には区別しづらい人もいるのではないでしょうか。そこでこの記事では、そんな「圧力」と「力」の違いを明確に印象付けていきたいと思います。

気圧が下がると沸点も下がる？圧力と沸点の関係や圧力鍋の仕組みも理系ライターがわかりやすく解説

3分で簡単「全圧」気体からの圧力？理系ライターが分かりやすくわかりやすく解説

3分で簡単「分圧」全圧との違いは？混ざっているのに圧力は分けられる？元研究員がわかりやすく解説

3分で簡単「水圧」！物理系ライターと一緒に「水圧」を考えよう

2.「圧力」と「力」の違い

圧力と力の区別を明確にするため、ここでは「圧力と力の共通点」と「圧力と力の違うところ」を見ていきましょう。

2-1.「圧力」と「力」は同時に発生？～圧力と力の共通点～

image by Study-Z編集部

「圧力」と「力」どこが違うのか？それを考えるにあたりまず、例題を考えてみましょう。

例題：底面積1m^2で重さが100N（約10.2kg）の板が置かれています。次の説明のうち正しいものはどちらでしょうか。

（ア）床には100Nの力がかかっている。
（イ）床には100Paの圧力がかかっている。

正解は、どちらも〇です。（ア）に関して、板の重さの100Nで床が圧されているので間違いなく100Nの力がかかっているので〇。（イ）に関して、力がかかっている面積が1m^2。ここに100Nの力がかかっているので、圧力に直すと100Pa。（イ）も〇です。

ここで言いたいことは「力」と「圧力」は同時にかかっているということ。圧力がかかるのと力がかかるのは同じ現象なのです。

そういう意味で圧力≒力とイメージしても問題ありません。「何かが何かをおしている」という現象は同じで、おしている程度の表し方が違うだけです。

image by Study-Z編集部

例えば、容器内の気圧は100Paといった場合、実は同時に容器内には力もかかっています。なぜなら、容器内の気体が容器の内面をまんべんなく押していて、（気圧100Pa x 容器内面の面積）分の力がかかるから。

また、「100Nの力がかかっています」と出てきた場合も同じです。実は、100Nの力と同時に圧力がかかっています。（かかってる力100N）÷（力がかかっている面積）分の圧力がかかっています。

力がかかっている面積が小さすぎて、何m^2かよくわからない時もあるかもしれません。しかし、面積ゼロは現実上ではあり得ないです。力がかかっている面には何かしらの面積を持つもの。その面積で割り算すれば圧力が求まります。

2-2.「圧力」と「力」の違うところ

image by Study-Z編集部

前述の通り、圧力も力も「何かが何かをおしている」という意味で起こっていることは同じで、その違いは表し方。表し方違うので当然単位も違います。では、圧力と力の表し方はどこが違うのか？例題で考えてみましょう。

例題：縦1m x 横2m × 高さ1mで、重さ400kg（底面はフラットとする）のブロックが平らな床に置かれているとき、床にかかる力と圧力はいくらでしょうか？

何がどうであれ、400kgの重さ分の「力」がかかります。つまり、

400kg x 9.8[m/s2]＝3920N

圧力は力が働いている面の面積で割って、

3920N/2[m2]で1960[N/m2]=1960Pa

ここで述べたいのは、力：3920[N]、圧力：1960[Pa(N/m2)]の解釈の違い。前者の3920[N]は床「力の合計」です。力と出てきたら、力がかかってる面の面積にかかわらず、その面全体で合計したものになります。

一方、1960(N/m2)は力の合計ではなく、かかってる面の平均。その面全体で平均するとどれくらい押されているか？の指標です。

まとめると、「力」は合計、「圧力」は平均（以下エリア平均と呼ぶ）。400kgのブロックが床に力をかけていることは変わりませんが、その時の床がどんな風に押されているかの表し方が違いますね。力は押されている部分の合計で表し、圧力は押されている部分の平均です。

ここで出てきた自作用語「力の合計」「力の平均」の考え方は次項で見ていきましょう。

2-3.「力の合計」と「力の平均」の考え方

image by Study-Z編集部

まず、「力の合計」という概念を説明します。ある物体が置かれている床にはその重さの分の力がかかりますよね。重さの分の力（例えば100N）はど真ん中一点に集中。

普通、力は分散してかかるため、力の矢印は無数にかけます。あるいは、一定面積あたりに1本描いてもいいかもしれません。しかし、これはあまりにも手間ですし、実際力がいくらなのか分かりづらいので、力の矢印はど真ん中に1本代表して描くことが多いのです。その面にかかる力の合計を描いてます。

3．なぜエリア平均が重要か？

力がかかっている面のエリア平均がなぜ重要か？それは、物が壊れるかどうかに影響するのが力の合計ではなく「エリア平均」だから。力を受けている面が大きければ力は分散されますが、力を受けている面が小さいとそこに力が集中し壊れやすくなります。

3-1.圧力と物の壊れやすさ

image by Study-Z編集部

先ほどのブロックの例に戻ります。

例えばブロックの底がフラットではなく、4隅に4本の細い棒（底面が1cm x 1cm)があるとして、それを木の床の上に置いたとしましょう。底面がフラットの場合、床面へのダメージは少なそうですが、細い棒に変えてしまうと簡単にえぐれてしまいそうです。

このように、力が狭い範囲に集中すると物が壊れやすくなります。そこで、力だけでなく、それがかかっている面の面積で割ったエリア平均なる「圧力」という考え方が必要なわけです。

3-2. 破壊が起きる圧力

どのくらいの圧力をかけたら壊れるかという指標は圧力と同じPaという単位を持ちます。どれくらい引っ張ったら壊れるか（引張強度）、どれくらい曲げたら壊れるか（曲げ強度）、どれくらい押したら壊れるか（圧縮強度）等の指標がありますがいずれも単位はPaです。

例えば、圧縮強度が500MPaの金属があるとします。この金属1m^2には5 x 10^8[N]、つまり約5万tというとてつもない荷重をかけたら壊れる計算です。しかし、1mm^2だと、500 x 10^6[Pa] x 10^(-6)[m2]=500N。約50kgの荷重で壊れることになります。受ける力が小さくても、受ける面積も小さければ力が集中して壊れやすい状態になることは言うまでもありません。

「合計何Nか」よりも「面積平均で何Paか」の方が物の強度を考える上では重要なのです。