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アルキメデスの原理と表面張力

アルキメデスの原理について、昨年から調べたり考えたりしています

面白いので少し長いスパンで考えながら遊んでみようかなと思っています。そこでのテーマのひとつが表面張力。

Cimg2135a 今日のお昼、遊びに来ていた子供たちの友達2人とうちの家族で軽い食事をしたあと、子供たちが遊び始めました。紙コップのひとつをつぶしてロートのようにして、もうひとつの紙コップに1滴ずつ水を入れる、こぼれたらそのとき水を入れた人の負け、というわけです。

Cimg2135 表面張力で紙コップの上に水が盛り上がりますが、なかなかこぼれません。ロシアンルーレットのような雰囲気です。「表面張力ってすごいね」と声が上がり「表面張力って何?」「わかんないけど、こぼれないからすごい」・・・・訳のわからない会話が続きます。そのうち、あれっとい間に今入れた水の明らかに数十倍の量の水がだらだらとこぼれました。水の盛り上がりは目測でも3mm程度はありそうです。

中学では浮力も表面張力も、表面張力の一現象である毛細管現象も教わりません。

Cimg2141 それでは、ということで1円玉を出して、これを浮かべてみようと提案しました。数枚失敗しましたが、見事に浮かびました。

子供たちは大喜びです。

ところで、比重2.7の1円玉が舟形もしていないのになぜ水に浮かぶのでしょうか。通常水の表面張力によって浮かぶのだと説明されます。でも・・・・

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1円玉が水に浮いているのは、大気圧と水圧の差によっているのだということです。1円玉がわずかに沈んでいるところがミソ。

1en こちらの「1円玉はなぜ浮かぶ」に詳しく述べられていますが、左の図はそれを簡単にまとめたものです。結局浮力で浮いているということですね。表面張力は、1円玉が押しのけた空間に水が浸入させないように水を抑えるように作用することで浮力形成に寄与しているのです。

1円玉の厚さは、アルミニウムを水に浮かばせることの出来る限界に近い厚さ、ということになります。だから相当うまくやらないと浮かばない。10円玉や100円玉ではどう転んでも無理ということも納得です。

アルキメデスの原理、その逸話の信憑性、そして浮力とかたち、ここに表面張力の作用が大きく関係してきます。

わたしは、有名なアルキメデスの原理発見の逸話は、非現実的な作り話だろうと思ってきましたが、ここのところもしかしたら現実的に可能なのかもしれないと思い始めているのです。最終的には実験的に確認しますが、面白いところです。

もう頭の中では、100ページを越える原稿が出来上がっています。

それにしても、こんなに面白いことをなぜ中学までに教えないのでしょう。こんなのを単なる計算問題にしてしまったら、味気ないことおびただしい。

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