グリルを上手に焼く方法: なぜ煙はいつも追いかけてくるのでしょうか?

著者: 中国科学院物理研究所ニューメディアセンター

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所准研究員

真冬に友達と鍋を食べるのが一番幸せな光景の一つです。外で雪が降っている場合は、家の窓辺に座って、食べ物と暖かさを楽しみながら、このごちそうを喜びながら待つことができます。鍋から上がる湯気が真上に上がり、すべてがより美しく見えます。

しかし、そんなゆったりとした美しい時間を楽しんでいると、なぜかポットの中の霧が顔に向かって吹き寄せてきます。

逃げ道はなかった。眼鏡をかけたあなたは立ち上がりました。あなたは非常に気が進まなかったものの、霧との妥協を長期的な快適さと交換することを望んで、無力に別の席に移動しなければなりませんでした。あなたは再び座り、幸せそうな笑顔があなたの顔に再び現れました。しかし、この瞬間、霧は突然あなたに魅了されたかのようにあなたを追いかけてきました。今度は、あなたはついにイライラして、なぜ自分がいるところに煙が上がるのかと文句を言い始めました。あなたは箸を置いて、この厄介な質問について考え始める（編集者に電話する）計画を立てました。あなたの前世はレンジフードでしたか？

いえいえ、実は、屋外でのバーベキューでも同様の問題が発生することがあります。たとえば、次のような状況は非常に美しく思えます。

しかし、徐々に状況は制御不能になっていった。

こういうことが起こると、一緒にバーベキューをしている友人たちは、一緒にいる人たち全員に呪いがかかっているのではないかと考え始めます。それとも私は煙の神の生まれ変わりなのでしょうか？

いいえ、私たちは形而上学を信じていません。科学を信じています。呪いは解けるが、物理法則は解けない。今日は、なぜ世界中で「私も同じ」というどうしようもないことが起きるのか、そして屋外で優雅にバーベキューを楽しむにはどうしたらいいのかについてお話しします。

まず、煙はなぜ発生するのでしょうか？煙は、可燃性物質（木材など）が燃えるときに、不完全燃焼した粒子（固体粒子、小さな液滴、ガスなどを含む）の集まりと考えることができます。これらの粒子は人間の目では直接見ることができないほど小さいため、集まると煙として見えます。

同時に、燃焼によって大量の熱も放出され、近くの空気分子が熱を吸収してより速く動き始めます。

温度は物体の熱さや冷たさの度合いを表す物理量にすぎないため、微視的な観点から見ると、物体の分子の熱運動の強さになります。マクロ的な観点から見ると、炎の周りの空気が熱くなり始めることを意味します。近くにある加熱された空気分子はより大きな運動エネルギーを持ち、遠くにあるゆっくりと動く近隣の分子と衝突し、これらの近隣の分子を移動方向とは逆の遠い場所へ送ります。

その結果、炎の近くに空間が空き、熱源近くの熱い空気が膨張し続けるようになります。この一連の連鎖反応により、炎の近くの空気密度は、炎から少し離れた周囲の空気密度よりも低くなります。なぜこんなことが起きているのかと疑問に思う友人もいるかもしれません。

中学校2年生で習った理想気体の法則を思い出してみましょう。

pV=nRT

このうち、p、V、T はそれぞれ圧力、体積、温度を表し、n は物質の量、R は理想気体定数です。このシナリオに適用すると、他の条件が同じであれば、より熱い空気はより冷たい空気よりも密度が低いことがわかります。

低密度のガスは上昇する傾向があるとよく聞きますが、これがその理由を説明しているようです。

たとえば、冬には建物の上層階の方が下層階よりも暖かく感じると通常は予想されます。これは、冷たい空気は暖かい空気よりも密度が高いため、暖かい空気が上昇する一方で冷たい空気は下に留まるためです。

たとえば、ヘリウムガスを充填した風船は簡単に飛んで行ってしまうことがよくあります。これは、ヘリウムの密度が空気中のガスよりも低いためであり、つまり、同じサイズのヘリウム風船は空気風船よりも軽いことを意味します。密度の違いが風船の浮力の鍵となります。

しかし、重要なのは、上で説明したことは、単に密度が低い空気は密度が低いという理由で上昇するということを意味しているということです。もっと深く、綿密で、厳密なことをするには、昔のゲストであるニュートン氏を招待する必要があるかもしれません。

ニュートンの第一法則によれば、物体が外部からの力を受けない限り、「静止している物体は静止したままになり、運動している物体は運動したままになる」とされています。このため、空気の密度を単に下げるだけでは空気を上昇させるのに十分ではなく、上昇運動を開始するには別の力を加える必要があります。関与する必要がある唯一の力は重力です。重力によって冷たく密度の高い空気が地球の表面に引き寄せられることは容易に理解できますが、その過程で密度の高い空気も地球の表面に到達し、周囲に急速に広がり、同時に密度の低い空気を弱めてしまいます。その結果、これらの「不十分な」密度の低い空気は上昇を余儀なくされます。もちろん、ここでのこのプロセスは単なる簡単な一般的な説明です。

この場合、風船をもう一度見てみると、風船と風船内の空気は重力によって下方に引っ張られ、同時に空気圧が風船を上方に押し上げようとしているが、重力に打ち勝つには不十分であり、風船は落下していることがわかります。しかし、空気をヘリウム（空気よりはるかに軽い）に置き換えると、風船の重量が非常に小さくなり、空気圧で簡単に押し上げられるようになります。

バーベキューの話に戻りますが、先ほど述べたように、火の周りの熱い空気は、火から少し離れたところの空気よりも密度が低くなります。周囲の空気が煙を押し上げる力よりも重力が煙を引き下げる力が小さいため、煙は空に上がります。これを対流といいます。流体の熱伝導率は非常に小さいため、熱伝導によって伝達される熱は非常に少なく、これが主な熱伝達方法です。対流は太陽、地球、オーブンなど、さまざまな場所で発生します。

しかし、グリル調理中、上昇する空気は単独で上昇するわけではなく、周囲の空気によっても押されます。なぜなら、熱い空気が火から離れると、それを押している空気も移動し、熱い空気が残した空間、つまりあなたがいる場所を埋めるからです。

じっと座っているだけでなぜ問題が起こるのか疑問に思いますか?確かに、あなたは怒った。なぜなら、**あなたはそこで壁のような存在となり、あなたがいるエリアの通常の空気の流れを妨げている****からです。 **あなたがそこにいなければ、あなたが座っている場所の空気は周囲の空気と同じになり、グループ全体が火のところに集まります。しかし、あなたがそこにいると、あなたの体はあなたの後ろの空気が火の方へ動くのを妨げます。したがって、燃えている火から出る煙は低気圧の方向に移動し始め、つまり、あなたとは反対方向の空気がまっすぐあなたに向かって移動することになります。火から出る煙や煤も一緒に運ばれます。空気を遮断しているので、1 回または 2 回動いたとしても効果は同じで、どこに動いてもその方向の空気を遮断することになり、煙が常にあなたを追いかけている印象を与えるため、無駄になります。

特に、グループで同じ場所に滞在する場合、より多くの人が空気の流れを遮ることになり、より大きな真空領域が形成されることになります。この観点から見ると、煙がなぜあなたをそんなに愛しているのかという謎が説明できます。

では、この問題を効果的に回避するにはどうすればよいでしょうか?

まず、最初の方法は自己犠牲と呼ばれます。元気なふりをして、片側に一人で座らせてほしいと頼み、他の人が他の方向に座るように手配することもできます。しかし、これには問題があります。徐々に彼らはあなたの側の煙が小さくなっていることに気づき、皆あなたの側に避難してくるでしょう。結果は予想通りであり、誰もが苦しむ状況につながるだけです。

2番目の方法は、すべての存在の平等の原則と呼ぶことができます。バーベキューに出かけるときには必ず分度器を持参することをお勧めします。一方向に人が座ると真空状態になると言われているので、それをブシにして各方向に1人ずつ等間隔で座らせたらどうでしょうか？こうすることで、すべての方向で均等に空気が遮断され、片側の真空状態がもう片側よりも深刻になるという状況は発生しません。

3番目の方法は、喫煙は原罪であるという理論と言えます。もっと具体的に言うと、煙を直接防ぐことです。煙の発生メカニズムについては前回の記事ですでに説明しました。この場合、グリルで焼くときに煙が目や肺に入るのを避けたい場合は、発生源から始めて、そもそも煙が発生しないようにすることができます。最低限の結果は、掃除機が有害な煙の代わりに暖かい空気を送り出すことです。それでは、上記の理論に基づくと、なぜ粒子の集合体が存在するのでしょうか?それは火が十分に熱くないからではなく、酸素が足りないからでもあります。ここでは、2 番目の要因から始めて、可燃物が完全に燃焼できるように、より多くの酸素を取り込む方法を探します。具体的には、次の方法で火を起こすことができます。

実際、それが本当にうまくいかない場合は、無煙燃料を使用すれば、誰もが好きな場所に座ることができます。

この記事を読んだら、あなたのお母さんは屋外バーベキューのことを心配する必要がなくなると思います！

参考文献:

[1]燃焼源からの吸入性粒子の物理的および化学的特性[M]。サイエンス プレス、ハオ ジミン、2008 年

[2] 熱伝達[M]サイエンス プレス、張景州、2014 年

[3] 熱力学[M]人民教育出版社、李春他編、1979年

[4] アイザック・ニュートン翻訳：王克迪。自然哲学の数学的原理[M]。西安：陝西人民出版社、2001年。

[5]キャンプファイヤーの煙があなたを追いかける理由

[6]マンソン、ブルースR.（1990）。流体力学の基礎。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。