はい、どうもこんにちは。cueです。
読者は、「表面張力」という言葉を聞いたことはありますか？
コップに水を入れたとき、満タンになった後、さらに少し水を入れても
あふれずに水面が盛り上がりますよね。
それがどうも表面張力と関係があるらしいのですが、表面張力って、
小中学校の義務教育では教わらないので、いまいちどんな現象なのか分かりません。
そこで、今回は、この表面張力の原理を、子供にもわかりやすく簡単に解説していきたいと思います。
それでは、最後までよろしくお願いします。
表面張力とは？原理を子供にもわかりやすく簡単に解説
表面張力とは
表面張力とは、物質が表面をできるだけ小さくしようとする性質です。
同じ体積あたりの表面積は、球形が最も小さいので、水滴やシャボン玉は丸くなるのです。
この表面張力は、分子間力という力によって起こっています。
水は、水分子という小さなつぶがたくさん集まってできているのですが、
一つの水分子が、磁石のN極とS極のように、＋極と－極に分かれています。
ある水分子の＋極は近くの水分子の－極と互いに引き合っており、この力を分子間力といいます。
この分子間力の働きで、表面の水分子は何とか内側にもぐろうとし、その結果、
水滴は小さくまとまって球形に近くなるのです。
水の表面張力は、液体の中でも大きいほうなので、コップのふちで盛り上がった水はなかなかこぼれません。
また、温度が上がると、水分子の動きが活発になるので、表面張力は小さくなりますし、
不純物を混ぜることで、表面張力の大きさを変えることもできるのです。
表面張力と濡れ
物に液体をかけると、その物は濡れてしまいますが、この「濡れ」は表面張力と深い関係があります。
物の濡れやすさは、物と液体が作る角度（接触角）で表され、
表面張力が大きい物質ほど、この接触角も大きく濡れにくくなるのです。
簡単に言うと、物体に液体を垂らしたとき、水滴が小さく盛り上がるのが濡れにくい物質、
水滴が広がったり、染み込んでしまったりするのが濡れやすい物質、ということになります。
物の濡れやすさは、液体の種類や添加物、表面の物質で決まります。
表面張力を大きくして、表面を濡れにくくする撥水加工（はっすいかこう）は、
布張りの傘や競泳水着などに利用されています。
表面張力と界面活性剤
コップの水の水面に平行になるように、1円玉をそっと置くと1円玉を浮かべることができます。
アルミニウムは水の2.7倍の重さがあるので、本来は水に沈むはずですが、
表面張力によって水に浮くのです。
表面張力では、たくさんの水分子が分子間力で結びついているため、ほかの物が中に入り込むのを邪魔するのです。
スクラムを組んだラグビー選手の間に他の人が割り込むことができないようなものです。
ところが、この水に洗剤を垂らすと、すぐに1円玉は沈んでしまいます。
洗剤には、「界面活性剤」と呼ばれるものが含まれていて、界面活性剤は表面張力を弱める働きをするので、
アルミニウムが水の中に入りやすくなるのです。
このような界面活性剤の力で、洗剤は、水と油（皮脂）を混ざりやすくし、汚れを落としているのです。
このほか、界面活性剤は、化粧品が肌になじむように使われていたり、
マヨネーズでは、卵が界面活性剤の役割を果たし、お酢と油が分離しないようにつなぎとめています。
アメンボはなぜ水に沈まないのか？
水の上をスイスイ～と動くアメンボ。
アメンボがなぜ水に沈まないのか、という秘密も表面張力と関係しています。
水面に浮かんでいるアメンボの足を観察すると、足が水に触れている部分だけ、
水面がへこんでいることが分かります。
実は、アメンボの足には防水性の細かい毛がたくさん生えており、この毛の層が表面張力を高めています。
また、アメンボは足から油を出していて、その油分が水をはじくので、アメンボは一層水に浮きやすくなっているのです。
ハスの葉はなぜ濡れないのか？
私の地元の公園には池があり、ハスが植えてあります。
夏になると、それらがピンク色の花を咲かせ、とても美しいです。
そんなハスの葉を見ていて、私はあることに気づきました。
ハスの葉に降った雨は、すべて丸い水滴になってはじかれ、葉は全く濡れることがないのです。
そこで、「どうしてハスの葉は濡れないのか」という謎について調べてみました。
ハスの葉が水をはじく秘密は、その表面構造にありました。
ハスの葉の表面には、大きさ10μｍ（1μｍは1mmの1000分の1）ほどの透明な球状の細胞がたくさん並んでいます。
これらの細胞が水滴とピンポイントで接することで、見かけ上の接触角が大きくなるのです。
つまり、平らな面よりも細かいでこぼこがある面の方が濡れにくく（＝表面張力が大きく）なり、
これを、ロータス効果と呼びます。
こうして、葉の上で丸い水滴になった雨粒は、葉の上のほこりや汚れを取り込みながら転がり落ち、ハスの自浄作用に役立っているのです。
このロータス効果は、調理器具のしゃもじやフライパンなどに応用されています。
表面にでこぼこ加工をすることで、ご飯や汚れがこびりつかないようにしているのです。
まとめ
いかがでしたでしょうか。
最後に、今回のポイントについてまとめると、
ということでした。
個人的には、長年疑問に思っていたことが理解できてとてもすっきりしました。
読者の方からのコメント、お待ちしております。
どうもありがとうございました！