自由水面とは？開水路・管水路との違いと大気圧・径深との関係（水理学）

この記事の要点

「自由水面」は川や開渠のように、水が大気に触れている水面のことです。

管の中を満流で流れる「管水路」には自由水面がなく、圧力で流れます。

この違いが水理計算（流速・流量の式）に直結します。

このページでは自由水面の定義・開水路と管水路の比較・径深Rとの関係と、建築設備の排水設計への応用を解説します。

静止する水の自由水面は大気圧により水平になり、水の流れは自由水面がある場合は重力によって決まる。

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自由水面（じゆうすいめん）とは、大気圧を受ける水面のことです。私たちは普段、池や湖の水面をみています。

これらは自由水面です。単に水面ともいいます。自由水面をもつ水路を開水路（かいすいろ）といいます。

逆に、管状の水路（周囲が壁で閉じている）で水が充満して流れるものが管水路（かんすいろ）です。

今回は自由水面の意味、開水路、大気圧、径深との関係について説明します。大気圧、開水路、管水路の詳細は下記が参考になります。

大気圧とは｜101.3kPaの値の意味・計算方法と絶対圧・ゲージ圧の違いを解説

開水路とは？マニング式・等流・径深（けいしん）の求め方と計算

管水路とは？損失水頭・流量の計算方法と開水路との違い

自由水面とは？大気圧との関係

自由水面（じゆうすいめん）とは、大気圧を受ける水面です。下図をみてください。これが自由水面です。

図　自由水面

単に「水面」ともいいます。地球上のあらゆるモノには重力が作用しています。

一見、重さが無いように思える「空気」にも重力は作用しています。大気圧とは重力による「空気の重さ」です。大気圧の詳細は下記をご覧ください。

大気圧とは｜101.3kPaの値の意味・計算方法と絶対圧・ゲージ圧の違いを解説

一方、水は横方向の力に対する抵抗力が全くありません。よって、下図のように静止する水の水面は、大気圧の作用により重力に対して垂直な方向（水平方向）になります。

図　自由水面と水平、大気圧

本当にそうなるか試してください。コップに水を注いで静止するのを待ちます水の表面は横方向にまっすぐ（水平）になるはずです。

図　自由水面とコップの水

もし水に横方向の抵抗性（粘性）がある場合、大気圧を受ける面は全てが均一な高さにはならないでしょう。

図　自由水面と粘性、大気圧

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自由水面と開水路、管水路、径深との関係

水路には

開水路（かいすいろ）

管水路（かんすいろ）

の２種類があります。開水路とは、下図のように自由水面を持つ水路です。水の流れは重力の作用によって決まります。当然、高いところから低いところへ水は流れます。

図　開水路

開水路の詳細は下記が参考になります。

開水路とは？マニング式・等流・径深（けいしん）の求め方と計算

また開水路の平均流速、径深、潤辺など下記も勉強しましょう。

平均流速とは？求め方・単位（m/s）・マニングの公式との関係

径深とは？1分でわかる意味、求め方、公式、単位、水深との違い

潤辺とは？1分でわかる意味、台形水路、円形の潤辺の求め方、径深との関係

一方、管水路とは自由水面を持たない水路です。下図のような管状の水路で、中には水が充満しています。

身近な例でいうと「ホース」は管水路の特徴があります。管水路の場合、水の流れは「圧力の大きさ⇒小さい」所に流れます。

管水路の詳細は下記が参考になります。

管水路とは？損失水頭・流量の計算方法と開水路との違い

混同しやすい用語

開水路

自由水面（大気圧を受ける水面）を持つ水路。

川や用水路など上面が開放されており、水の流れは重力によって決まる。

管水路が圧力差で水を流すのに対して、開水路は重力（水面の高低差）によって水が流れる点が異なる。

管水路

自由水面を持たない管状の水路で、内部に水が充満して流れる。

水道管やホースなどが代表例である。

開水路が上面開放で大気圧を受けるのに対して、管水路は閉じた管内で圧力差によって水が流れる点が異なる。

試験での問われ方｜管理人の一言

建築士試験では、開水路と管水路の定義の違いや、自由水面の有無と流れの原理が問われる。

「開水路＝自由水面あり・重力で流れる」「管水路＝自由水面なし・圧力差で流れる」を対比で押さえよう。

自由水面を整理した表を示します。

項目	内容	備考
自由水面	大気圧を受ける水面	静止時は水平になる
開水路	自由水面を持つ水路	重力によって水が流れる
管水路	自由水面を持たない水路	圧力差によって水が流れる

まとめ

今回は自由水面について説明しました。自由水面は、大気圧を受ける水面です。単に水面ともいいます。

静止する水は大気圧により、水平な面をつくります。コップに水を入れて確認しましょう。

また自由水面を持つ水路が開水路です。開水路、管水路の特徴も勉強しましょう。下記が参考になります。

開水路とは？マニング式・等流・径深（けいしん）の求め方と計算

管水路とは？損失水頭・流量の計算方法と開水路との違い

大気圧とは｜101.3kPaの値の意味・計算方法と絶対圧・ゲージ圧の違いを解説

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この記事を書いた人

ハナダユキヒロミツメラボ

設計事務所に7年勤務。2010年より「建築学生が学ぶ構造力学」を運営（16年以上）。著書「わかる構造力学」「わかる構造力学（改訂版）」（工学社）。

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