シャボン玉吹き科学指導マニュアル

シャボン玉吹き科学指導マニュアル

制作:中国科学普及協会

著者:郭飛(煙台大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

空を舞うカラフルなシャボン玉は、誰もが一度は見たことがある子供時代の思い出でしょう。

(写真提供:Veer Gallery)

実際、気泡の発生は日常生活で非常に一般的な現象であるだけでなく、多くの産業分野でも気泡の発生と除去が関わっています。さらに、これらの小さな気泡に対処することも、業界にとって重要なリンクとなる可能性があります。これにより、科学者は泡に対して子供のような興味を持つようになります。

今日の記事では、泡の謎を探り、科学的に泡を吹く方法を紹介します。

パシュミヌによるシャボン玉のマクロ撮影

(画像出典: Wikipedia)

あなたを愛してあなたを憎むのは、あなたを研究するよりも悪い

泡の発生は私たちにとって馴染み深い自然現象ですが、実は工業製品の品質を左右する重要な要素なのです。

たとえば、金属表面に電気メッキを施す場合、処理が進むにつれてコーティングの表面近くに多数の気泡が発生することがよくあります。したがって、コーティングの細孔欠陥を回避するために、特定の消泡剤を配合物に追加する必要があります。金属やガラスの溶解プロセスもこれに似ています。また、品質に影響を与える金属鋳物やガラス製品における気泡の抑制や気孔の発生を最小限に抑えることも目指しています。

鋳物の気孔率、オリオン・ローラー著

(画像出典: Wikipedia)

業界の特定のリンクに影響を及ぼすことに加えて、自然界の泡は人々にも問題を引き起こす可能性があります。

湖などの流動性の悪い自然の水域の表面には、大量の泡が浮いているのがよく見られます。これらのフォームは界面活性剤を豊富に含んでいるため、簡単には壊れません。水面に浮かび、水中に浮遊する懸濁物質や微生物に対して強力な吸着効果を発揮します。

これらの泡は見た目ほど無害ではありません。この泡が汚染された水域の上に発生した場合、泡が破裂すると大量のエアロゾルが周辺地域に放出され、湖の周辺地域が汚染されることになります。そのため、下水処理の過程では、まず表面に浮遊している泡を回収することがよく行われます。

米国南カリフォルニアの汚染された川。大量の白い泡がはっきりと見える。

(画像出典: Wikipedia)

泡はしばしば私たちの悩みの種になりますが、時には私たちの友達にもなります。

消泡剤とは対照的に、発泡剤は意図的に大量のガスを発生させる化学物質です。たとえば、特定のプラスチックの製造工程では、発泡剤によってプラスチック製品に均一な大きさの穴が多数開きます。これらの穴により、完成品の密度が大幅に低減され、コストが削減され、より軽いユーザー エクスペリエンスが実現します。また、気孔の数が多いと熱の拡散を阻害する恐れもあるため、住宅の外壁の断熱層は発泡プラスチックで作られることが多いです。菓子作りの過程での発酵や泡立ったクリームは、日常生活における泡の一般的な応用例です。

泡は非常に一般的であり、生産と生活に大きな影響を与えるため、科学者は数百年前から泡の研究を始めました。数学者は泡を使って、同じ表面積の下での最大建築スペースなど、空間内の物体の体積と表面積の関係を探ります。化学者は、新しい界面活性剤成分の開発など、泡に関連する化学的性質を研究します。物理学者はシャボン玉の蒸発や破裂などの挙動を説明しようとします。

Charlie Fong による、泡のデザイン要素を備えたウォーター キューブ

(画像出典: Wikipedia)

シャボン玉の新発見、人類は「完璧なシャボン玉」を吹けるようになるのか?

最近、フランスの科学者チームがシャボン玉の新たな挙動を発見しました。大きくて破裂しにくい、あなたが望むような「完璧な泡」さえも作り出します。

安定した泡の作り方を説明する前に、まずこの疑問について考えてみましょう。なぜシャボン玉は最終的に破裂するのでしょうか?

通常の状況では、シャボン玉は形成された後、必ず破裂します。これは、シャボン玉が本質的に液体によって形成された薄い膜であり、形成された後は自然に蒸発するからです。蒸発が進むにつれて、膜の表面の物質はどんどん少なくなり、最終的には、もともと完全だったシャボン玉にいくつかの弱い部分が現れ、シャボン玉全体が破裂する瞬間が来ます。

シャボン玉の挙動を説明するこれまでの物理モデルでは、科学者は一般的に、シャボン玉の温度は周囲の環境の温度と同じであると想定していました。しかし、フランスの科学者によるこの研究では、この仮定は正確ではないことが判明しました。

研究チームは、シャボン玉が蒸発すると、表面温度が周囲の環境と一定に保たれず、大幅に低下し、その温度差はシャボン玉溶液の組成の変化によって変化するということを発見した。極端な場合には、シャボン玉の表面温度が周囲の環境よりも 8°C 低くなることもあります。

この重要な情報を習得した今、破裂しにくいバブルを簡単に作成できるでしょうか?実際、フランスの科学者たちの研究結果は、シャボン玉の安定性に関する数学モデルを確立するには程遠いものです。それどころか、彼らの実験的結論のいくつかはモデルをより複雑なものにしました。

簡単に言えば、フランスの科学者たちの研究は、ある組成のシャボン玉がいつ破裂するかを予測することは非常に難しい問題であることを示しています。異なる温度での蒸発を考慮することに加えて、重力の影響要因もあります。結局のところ、シャボン玉の膜の中の液体が徐々に下方に移動し、膜の上部が薄くなり破裂する主な理由は重力です。

マイナス7℃で凍ったシャボン玉、ラリーパイロット作、

(画像出典: Wikipedia)

「パーフェクトバブル」石鹸液の配合が明らかに

シャボン玉液を自分で作った経験のある人は多いと思いますが、実際にやってみると、シャボン玉を大きく、たくさん、長持ちさせるのは簡単ではないことがわかります。

シャボン玉液が単なる石鹸水や洗剤水だと、泡立ちは良いものの、泡を大きくするのが難しく、すぐにはじけてしまいます。したがって、シャボン玉おもちゃを販売している業者には、ある程度の核心的な競争力があり、彼らの秘密のシャボン玉液の配合には、実は多くの謎が隠されています。

シャボン玉を吹く子供たち

(画像出典: Wikipedia)

科学者がシャボン玉の安定性の数学的モデルを確立することは困難ですが、この実験を主導したフランスの科学者たちは、自分たちが開発したシャボン玉の液体の公式も用意してくれました。この製法を使えば、直径5cm以上の大きさのシャボン玉を簡単に作れるだけでなく、1時間ほど持続させることもできます。

レシピには、食器用洗剤 40 ml、グリセリン 100 ml、グアーガム 1 グラム、水 1 リットルが含まれています。家にこれらの材料を持っている子供がいる場合は、トップ物理学ジャーナルに掲載されているこのシャボン玉液のレシピを試してみるといいかもしれません。

参考文献:

【1】シャボン玉が長持ちする仕組み

https://arstechnica.com/science/2023/01/the-physics-behind-building-an-enduring-soap-bubble/

【2】蒸発する石鹸膜の温度低下の測定

https://arxiv.org/pdf/2212.07104.pdf

【3】泡ハンドサニタイザーはなぜ一押しで泡が出るのですか?

https://k.sina.com.cn/article_5104880035_1304649a3019018m71.html

【4】ラテミルクフォームとクリームフォームの耐久性は、凝固原理と温度に関係しています。

https://m.gafei.com/views-130207

【5】泡には意外な冷たさがある

https://physics.aps.org/articles/v15/s173

編集者:郭 雅新

<<:  2,400年前に水洗トイレはあったのでしょうか? !

>>:  中国茶はどのようにして世界を征服したのでしょうか?

推薦する

蚕の蛹は見た目がとても怖いのに、なぜ人々はそれを食べたがるのでしょうか?その栄養価は想像を超えるほどです...

専門家: 張其凱、中国農業科学院、昆虫生態学博士今、人々は食べる美味しい味に加えて栄養価の高さも追求...

ブルウィップの食べ方

皆さんはブルウィップが何であるか知っていると思います。そうです、ブルウィップは雄牛の生殖器官です。特...

男性は腎臓をもっと食べることで本当に腎臓を養うことができるのでしょうか?

「腎臓」は昔から男性に人気の媚薬で、特にバーベキューの串焼きを食べるときによく使われます。食べたも...

卵チャーハンの作り方

現代のペースはますます速くなっています。どうやって食べるか?どうすればより良く食べるかは、プレッシャ...

タコと魚はどうやって「国境を越えた狩猟協力」を行っているのか?

自然界では、オオカミが一緒に狩りをしたり、ミツバチが一緒に巣を作ったりするなど、同じ種の動物が特定の...

サムスンだけではない:アップルの携帯電話の爆発が連鎖反応を引き起こす可能性

9月中、IT業界ではSamsung Note 7の爆発がニュースで取り上げられていました。韓国での爆...

刷り込み効果: 生まれたばかりのアヒルの子はなぜ最初に見た生き物を母親とみなすのでしょうか?

アヒルの子は、その生活習慣や行動特性が常に人々の注目を集める愛らしい水鳥です。人々を非常に興味深くさ...

新しいバイオニック脚は、切断患者が楽に歩くことを可能にし、軽量で強力であり、独自の電気を生成することができる。

人生において、誰もが多かれ少なかれ、交通事故、火事、病気など、何らかの物質的損失を引き起こす不幸に遭...

アバターに出てくる「海の怪物」は地球上に実在することが判明しました!

最近、『アバター:ザ・ウェイ・オブ・ウォーター』が公開されました。ドラマの背景が惑星パンドラの青い海...

正しいひざまずき法は座りっぱなしによる病気を治すことができるのでしょうか?

最近、編集者は腰痛を訴えていますが、彼女が容兄のように毎日肉体労働をしたり運動したりしているのを見た...

麻婆豆腐の簡単レシピ

豆腐は私たちの日常の食卓によく登場する食材で、豆腐の調理法は数多くありますが、その中でも麻婆豆腐が最...

ジャポニカ米とインディカ米の違い

ジャポニカ米とインディカ米の違いは何でしょうか?この問題を理解するには、2つの側面から始める必要があ...

レッドデーツジンジャーティーの効能

ナツメは誰もがよく知っていますが、生姜も私たちが日常生活でよく食べるものです。この2つは最も一般的な...

悪夢を見るのを止めるために、私はその「良い結末」をでっち上げようとしました、そしてそれは実際にうまくいきました!

一般的に、夜によく眠れば、朝起きたときにすっきりとしていて、一日中元気でいられます。夜に悪夢を見ると...

みかんの皮をまぶした鴨肉の調理方法

一般的なアヒルのレシピは何でしょうか? ビールダック、レモンダック、パイナップルダック、ローストダッ...