砂と水が混ざるとどうやって砂の城ができるのでしょうか？

ビーチで遊んでいると、いつもビーチに大小さまざまな「砂の彫刻」が見られます。誤解しないでください。あれらは砂でできた要塞です。初心者向けのものは小さな丘だけですが、上級者向けのものは動物、人間、漫画の形など多様です。砂の彫刻の形は、まるで砂の一粒一粒に魂があるかのように、常に変化しています。

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砂の彫刻を作るときは、砂と水を混ぜる必要があります。一般的に、砂 8 バケツと水 1 バケツの比率がより適切であると考えられています。水を加えると、もともと別々で非常に緩い砂が接着されて固体の塊を形成することができます。この時点で、粘土をこねるように大きな砂をさまざまな形に成形し、積み木のように砂の彫刻を組み立てることができます。では、なぜ水を少し加えるだけで砂がくっつくのでしょうか?

01水と砂の混合の魔法

湿った砂の山を拡大すると、砂粒の間に小さな水柱の部分があり、水柱のこの部分の側面が内側に凹んでいることがわかります。凹状の液面の接線方向では、水柱が両側の砂粒子に引っ張る力を生み出し、両側の砂粒子が互いに近づき、くっつく効果を生み出します。

砂粒子間の液体橋は接着力を発揮しますが、これは本質的に液体の表面張力によるものです。画像出典: 中国科学院物理研究所

これらの現象にはすべて科学的な名前があります。砂粒間の水柱は液体橋と呼ばれます。凹面の液体表面にかかる張力を液体の表面張力と呼びます。

表面張力によって生じる付着、収束、さらには相対的な動きを毛細管現象と呼びます。水の表面張力が砂粒子の付着の本質的な理由であることがわかります。それで、どのように表示されるのでしょうか?これには、よりミクロな観点からの説明が必要です。一滴の水には多数の水分子が含まれています。分子間にも特定の相互作用があり、これは分子間力、またはファンデルワールス力と呼ばれます。 2 つの分子間の距離が近すぎると、それらの間に反発力が生じます。 2 つの分子間の距離が遠すぎると、それらの間に引力が生じます。

分子間力と分子間の距離の関係。出典: 作者による手描き

水滴内では、各水分子が前後左右のあらゆる方向にある他の水分子と相互作用します。分子間力の特性により、これらの水分子は互いの距離を自動的に調整し、各分子があらゆる方向の他の分子の複合力を受けて平衡状態に達します。それは引力と反発力に等しい。しかし、水滴の表面と空気の間の薄い層では状況は異なります。

水滴の内部とは異なり、表面の水分子は水滴の断面とその内側にある他の水分子とのみ相互作用するため、空間と力の対称性が破壊されます。距離が自動的に調整されると、表面の水分子の分布は水滴内部の水分子の分布よりもまばらになり、分子間の距離が広がるため、水滴の表面に全体的に引き付ける効果が反映されます。これが表面張力の由来です。

表面張力の形成を理解するために、理論的にはあまり正確ではないが、比較的理解しやすい図が使用されます。点線は液面上の分子の分布を表し、実線は液面内の分子の分布を表します。表面上の分子間の距離がより大きくなっており、表面上の相互引力を反映していることがわかります。画像出典：著者による手描き

表面張力により、水滴の表面は引き伸ばされた「薄膜」と同等になります。砂粒間の液体橋の場合、液体表面の張力のある「膜」が、両側に接続された砂粒に引っ張る力を伝達し、砂粒同士の接近を促進します。

しかし、表面張力は比較的弱い力です。液体ブリッジのサイズが大きすぎると、表面張力が液体自体の重力に抵抗できなくなるため、液体ブリッジが崩壊し、砂粒子の結合が失われます。したがって、しっかりとした砂の彫刻を作るためには、必ずしも水を多く加えれば良いというわけではありません。

研究によると、砂に含まれる水分が多いほど、液体の​​橋が大きくなり、結合効果がさらに高まることがわかっています。しかし、液体ブリッジがさらに増加すると、結合力はそれに応じて減少します。水分含有量が一定範囲内であれば、砂をまとめる力は水分含有量とは無関係です。しかし、宇宙では、微小重力環境のため、液体ブリッジのサイズが非常に大きくなる可能性があります。私たちの天宮教室では、宇宙飛行士の王亜平先生が生き生きとした実演を見せてくれました。国際宇宙ステーションには直径50mmの液体ブリッジも建設されました。

地球上の液体橋はせいぜい数ミリメートルですが、宇宙の液体橋は非常に大きくなることがあります。画像出典: 天宮教室 表面張力の影響は、砂粒同士の結合を助けるだけでなく、生活のさまざまな場面でも見られます。コップに水がいっぱい入っている場合、水がこぼれることなくコップの口から一定の距離だけ水面が上に上がっても大丈夫です。これは表面張力が内部の液体の動きを抑制し、水を保持する弾性膜の層に相当するためです。アメンボなどの昆虫が水面上を自由に歩くことができるのは、表面張力によって水面に一定の支持力が与えられているからです。植物は、表面張力を利用して液体自身の重力を克服し、地面から水と栄養分を自発的に吸収して、下から上への輸送を完了することができます。

表面張力の役割は生活のあらゆるところに存在します。出典: 捜狐

02集まることも散らばることもできる宇宙砂とは？

これで、砂の彫刻において水が結合剤として機能する理由がお分かりいただけたと思います。しかし、新しい疑問を持つ友人もいるかもしれません。水を加えなくてもさまざまな形に成形できる宇宙砂があるのです。この背後にある原理は何ですか?宇宙砂は、本質的には、特別な処理が施された普通の砂、つまりシリコン（一般に「シリコンオイル」と呼ばれる）で覆われた砂です。これはシリコンと酸素から構成される有機シリコン酸化物ポリマーであり、その構造は長鎖分子に連結された一連の繰り返し単位で構成されています。シリコーンは、化粧品、ローション、シャンプー、コンディショナーなどの日常消費財から工業分野の潤滑剤やシーラントに至るまで、幅広い用途に使用されています。

シリコーンは独特の物理的特性を示します。外部からの力が加わっていない場合、自由に流れる液体またはゆっくり流れる半固体の状態で存在することができます。しかし、圧力をかけるとゴムのような固体になります。加えられた荷重の変化に応じて物理的状態を調整するこの特性は、粘弾性と呼ばれます。粘弾性の程度は、シリコーン中のポリマー鎖の長さと密接に関係しています。

粘弾性材料である宇宙砂は、さまざまな負荷条件下で流体の粘性または固体の弾性を示すことができます。画像クレジット: @科林

シリコン素材 宇宙砂では、シリコンのポリマー鎖が砂粒子をしっかりと結びつける接着剤のような働きをするため、砂を自由に練って粘土のようにさまざまな形に成形することができます。しかし、外力が除去されると、時間の経過とともに、材料の粘弾性の影響により、宇宙砂はゆっくりと流体のように流れ、成形された形状が徐々に平らになり、最終的には崩壊します。普通の砂に水を加えたものでも、斬新な宇宙の砂でも、砂の彫刻を形作るプロセスは私たちに喜びをもたらします。砂遊びをしたのはいつ以来ですか？この記事を読んだら、自分でも砂の彫刻を作ってみましょう！

著者: Wei Anran、アプリケーション エンジニア、上海交通大学、力学博士

企画・編集：ティアラ

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