無重力ではシャボン玉が割れない！？

質問

スペースシャトルの無重力下ではシャボン玉って気化しないかぎり割れないんでしょうか？

回答No.8

noname#252183

lycaon です。
補足への回答を見送ろうかとも思いましたが・・・

◆ >同じゴム風船で、大きく膨らませたものと、小さく膨らませたものを
>ストローでつなげると、小さな風船がしぼんで、大きな風船の方へ空気が
>移動する（ふくらませ方によるとおもいますが・・）と思います。

が明白な誤りですんで、やはりコメントしておきます。

ゴム風船を口にあてがい膨らませるとき、最初はたいした抵抗もなく息を吹き込めますが、風船が大きくなるに従い強く息を吹き込まなければならなくなります。
風船内部の空気圧が（肺の吐出圧力に対抗できる程度まで）上がってきたからです。
同じゴム風船で、大きく膨らませたものと、小さく膨らませたものをストローでつなげると、高圧の大きな風船の空気が、低圧の小さな風船に流れ込んで、両方の大きさが同じになったとき（＝ゴムに働く引張応力が同じになったとき）流れが止まる筈です。

◆ >あまりにも断面がうすくなった膜面の張力は、断面の厚くなった膜面
>の張力に打ち勝つことができず、断面の薄肉化に歯止めをきかせるこ
>とができなくなると思います

薄い膜面が、厚い膜面の大きな張力（＝引張応力）に負けて裂ける、と読めます。
これは、内容は間違いですが、薄い部分が先に裂けるのは正しいです。
シャボン玉では考えにくいので、町の中で見かける直径数～10数ｍの球形の水素ガス貯蔵タンクのような、剛体球殻で考えます。
高圧タンクの外殻は、内圧に対抗するため、相当ぶ厚い金属で作られている筈です。

仮にこの外殻に、肉厚のぶ厚い通常の部分と、極端に薄い局所部分が混在するとします。
内圧を増していけば、同じ内圧がかかるので薄い部分が先に外に張り出し、膨らんだ頂点付近で許容引張応力を越せば、そこから破裂します。
内圧が上がった分だけ引張応力が増加していったのであり、破裂させた犯人は内圧です。
厚い部分の外殻は、薄い部分に積極的には何も外力を及ぼしていません。

◆重力下では膜の引張強度が球殻の下部に流下した自分の液重量に勝てず、すぐ割れるでしょう。
普通のシャボン玉の宿命です。

主題の無重力下では、しゃぼん玉は、最初から最後まで均一膜厚でしょう。
部分的に膜厚が極端に違うシャボン玉を、人工的・強制的にでも作る方法は、思いつきません。
しかし無理に考えて、部分的に極端に薄くなったシャボン膜厚部分が仮に作れたとします。
薄い部分が厚い部分のシャボン液を呼び寄せて均一膜厚まで復元できるか、もはや復元不能でそのまま割れるかですが、
1)少なくとも「表面の張力分布が不均一な」そのままの形状は保てず、割れるか復元するかのどちらか一方に向かいます。
2)そして無重力では、内外の空気圧以外にはしゃぼん玉膜に作用する「重力のような外力が何も見つからないため」、極めて薄くてもまだ割れる前でしたら、結局は許容引張応力以下だったわけで、私は復元すると思います。

******
最後に界面張力を簡単に解説している文献・サイトは多いですが、物体の表面は本質的に難解です。
ネットで探して見つけた中で、表面の本質が最も判り易く書かれていると感じたものを、ご紹介しておきます。

[PDF] コロイド・界面科学 ―表面張力と表面積の織りなす世界―
北海道大学電子科学研究所 辻井 薫　氏
http://colloid.csj.jp/member_site/23basic_abst/tujii.pdf

お礼

ご回答有難うございます。
実は、自分の解釈に自信が持てなかったため、回答の締め切りをしていませんでした。なので、こうしてご意見を頂けることにより、本質的な理解を深めることができると感謝します。
まず、主題から少々ズれている（ような気がする・・）ゴム風船に関してですが、これとか参考になりますでしょうか？
http://www2.hamajima.co.jp/~tenjin/labo/balloon.htm
「ゴム風船 張力」とかで検索して頂ければ、他にも参考にできるものがあるかも知れません。
ところで、http://colloid.csj.jp/member_site/23basic_abst/tujii.pdf
参考になりました（くー・・私にはかなりムズい・・）。有難うございます。
主題（シャボン玉上部が薄くなり、割れる寸前の状態を無重力にする）に戻りますが、
＞断面がうすくなった膜面の張力は、断面の厚くなった膜面の張力に打ち勝つことができず、断面の薄肉化に歯止めをきかせることができなくなると思います。
と述べさせて頂きましたが、私の解釈を申しますと、
例えば、棒磁石１００本と１本で鉄を引き付ける力を比べてみると、１００本は１本に対してざっと１００倍の力になるはず。で・・
水の断面内にはもちろん水分子が存在してますが、断面が100分の１に薄くなったとき、分子の数（断面の話です。誤解しないでください）もざっと100分の１になるかと思います。表面張力が本質的に分子間力であり、伸びに無関係であるならば、上記の棒磁石のように考えられるのではないでしょうか？断面１００と断面１の水が（ガラス板を）綱引き競争しているカンジです。
この考えに至った理由は、シャボン玉を作るとき、界面活性剤の濃度は、薄くてもダメ。濃くてもダメ。ちょうどいい塩梅があるということです。復元力が強ければ割れないということは、濃ければ割れないということ。でも実際はそうではなさそう・・

本来、表面自由エネルギーの方向とか距離も重要かと思いますが、省略させて頂きます。
結論として、私の解釈は、ほぼNo.7でのお礼のままです。

間違いの方向へばく進しているような気もします。
宜しければ、ご回答お願いします。

補足

回答補足の欄にて失礼します。

放置プレー・・寂しすぎます。・・

どのような内容でも、ご回答頂けると有難いです。
お忙しいかと思いますが、宜しくお願いします。

回答No.7

noname#252183

#2、3、5、6　lycaonです。
#6 の回答者さんの（自分ですが）

>疎水性のＲ（＝CmHn)がシャボン玉の内外とも空気側に並ぶので、これら同士の静電作用の反発があって、互いに最も遠ざかるよう配置する結果、疎水基は表面に均一の間隔を保って分布する、と考えられます。

という説は、全くない筈はない、と言えますが、（ノニオン界面活性剤も考慮して）静電作用よりも表面張力の方が支配的要因だと思われる説明を思い付きました。

フックの法則に従うばねは、（1/2）k・x^2 のエネルギーを有し、伸びが大きいほど大きなエネルギーを持つので、引っ張る力をなくせばｘ＝0、つまり自発的にエネルギーが最小の状態に戻ります。
（#5で述べた
>ゴム風船の本心(?)は、割れてグニャグニャのゴムに戻りたがっているのでしょう
の説明でもあります。）

シャボン玉膜の場合、もし表面活性剤が不均一に分布していると、過剰に存在する部分の表面張力は低く、不足する部分の表面張力は高くなっています。表面張力が高い部分のエネルギーは、余計に引っ張られているバネと同じで、高い（自由）エネルギーを持ちます。
この状態で、シャボン玉膜の両面の界面活性剤の分布が、少し”ゆらいだ”とします。
ある瞬間には、界面活性剤が少ない領域から更に界面活性剤が周りに出て行こうとするでしょうが、これはその部分の高いエネルギーが更に高まる方向なので、実現しないでしょう。
別の瞬間には、界面活性剤が少ない領域に周囲から界面活性剤が入り込もうとするでしょうが、これは局部的に高かったエネルギーを下げて均（なら）す方向なので、簡単に実現します。

この”ゆらぎ”がシャボン玉膜の表裏の全面で起きれば、結局は界面活性剤は均一分布になります。
で、この考えを念頭に入れてから、#6で紹介したでんじろう先生の説を読み返すと、成る程、と大いに納得できました。
この考えには胡散（うさん）臭さを感じないので、正解でしょう。

お礼

ご回答有難うございます。
lycaon様の真摯な対応に感謝しております。

前後して申し訳ないのですが、No.6回答へのお礼欄での意見を却下させてください。考え直しました。

すこし考えたのですが、同じゴム風船で、大きく膨らませたものと、小さく膨らませたものをストローでつなげると、小さな風船がしぼんで、大きな風船の方へ空気が移動する（ふくらませ方によるとおもいますが・・）と思います。ここでわかることは、F=kxのフックの法則は極小域での考えた方であって、伸びによる断面の減少が含まれていないということです。実際、伸ばせば伸ばすほどエネルギーは蓄積されるとは思いますが、比例して張力が増えていくわけではない（断面が小さくなってしまうから）と思います。
シャボン玉の膜面に無理やり応用すると、極小域（程度はわかりませんが・・）では、lycaon様のおっしゃる通り、過剰に存在する部分の表面張力は低く、不足する部分の表面張力は高くなり、均一分布を求める方向に力が働くのだと思います。
しかし、膜厚のひどく不均一な状態を考えると、とある境界をさかいに、あまりにも断面がうすくなった膜面の張力は、断面の厚くなった膜面の張力に打ち勝つことができず、断面の薄肉化に歯止めをきかせることができなくなると思います（これが水滴化への働きでしょうか）
＞シャボン玉の本心(?)は割れたがっていますので、重力による膜厚の変化や蒸発による膜組成の変化や物にぶつかるなどが起きれば、喜んで割れて、安定な液滴になります。

この意味を計り損ねておりました。申し訳ございません。

理解の無い質問者でご迷惑をお掛けしましたが、それでも長々とお付き合い頂いた回答者の皆様に感謝します。
誠に有難うございました。

回答No.6

noname#252183

>１　重力があって、その影響でシャボン玉上部が薄くなり、割れる寸前の状態にする
>２　１の状態を無重力にする

均一膜厚に戻るでしょう。理由として、でんじろう先生の

http://www.denjiro.co.jp/01/a_05.html

より引用すると、

「それは膜に膜厚を一定に保とうとする復元力が働くからです。
復元力の原因は界面活性剤（洗剤の成分）です。界面活性剤分子は、膜の表面に集まって層を作ります。何らかの原因により、膜が引き伸ばされて薄くなると、膜の表面の界面活性剤分子の濃度が低下します。その結果、表面張力が増大し、伸びた膜を引き戻します。このメカニズムが、膜の厚さを一定に保つ復元力を生み出しているのだと考えられます。 」

水中の空気泡（薄い空気膜の両側に界面活性剤の疎水基が並ぶ）のお話ですが、シャボン玉でもこのまま当てはまるでしょう。

これだけで終わっておけばスマートですが、折角考えたので蛇足を追加しておきます。
石鹸水中では石鹸の主成分である脂肪酸ナトリウム（RCOONa）が界面活性剤として働き、RCOO- と Na+ に解離しており、疎水性のＲ（＝CmHn)がシャボン玉の内外とも空気側に並ぶので、これら同士の静電作用の反発があって、互いに最も遠ざかるよう配置する結果、疎水基は表面に均一の間隔を保って分布する、と考えられます。
ところでシャボン玉膜は数分子の厚みしかなく、厚み方向にもこの静電作用が働くとすれば、まったく同じ理屈で膜厚が均一になる、と考えられます。
というのが、自分の考えた”理論”ですが、この機構も多少は働いているのではないかと思います。（ネットでこんなことを書いたものが見当たらず、余り信用しないで下さい。）

でんじろう先生は表面張力で説明されていますが、自分のは表面張力から外れています。
いずれにせよ、均一膜厚には戻るでしょう。

お礼

いつもわかり易いご回答有難うございます。
でんじろう先生の実験、面白すぎます。
ところで、この水中シャボン玉の空気膜は、最初はほぼ均等な膜圧であったのに、時間が経つにつれ徐々に空気が上部に上がって膜圧が不均等になるかと思います。（最後は割れるんでしょうか？）
ここで申し上げたいのは、空気膜（ふつうのシャボン玉は液膜）は、なんらかの　ほんの小さな外力（重力、浮力）に対してでも、釣り合うことができないのではないか　ということです。ゴム、バネに、ある重りをぶらさげてみると、いくらか伸びて、もう永久にその長さを保つ釣り合いのとれるところが存在するかと思います。
対してシャボン玉の液膜は、たとえ超ゆっくりだとしても確実に水滴になる方向へ進んでいる気がしてなりません。（どれも割れるから・・）
超薄い界面活性剤（ほとんど水）でも、適度な界面活性剤でも、結局割れてしまうことをふまえて、（摩擦のような解釈で、時間を遅らせているだけ）このような考えになりました。
頂いたご回答に対して反論するようなかたちとなってしまって申し訳ありませんが、宜しければご返答お願いします。

回答No.5

noname#252183

#3 lycaonです。

>・表面張力によって１０ｇの水滴になりたい（つまり割れる）
>・表面張力によって直径約１ｍを維持したい（つまり割れない）
>どちらなのかということです。

割れたがっているが割れない、が回答です。

シャボン玉の本心(?)は割れたがっていますので、重力による膜厚の変化や蒸発による膜組成の変化や物にぶつかるなどが起きれば、喜んで割れて、安定な液滴になります。
ところがそのような刺激要因が何もない無重力環境では、球殻は（液滴よりは不安定でも、それなりに安定した形態なので）自分からは割れることができず、いつまでも割れないでしょう。

空気でゴムがパンパンに張られたゴム風船は、ゴム分子が引き伸ばされて、エネルギー的に高い状態にあります。
ゴム風船の本心(?)は、割れてグニャグニャのゴムに戻りたがっているのでしょうが、自分からは割れることができず、針で刺されるような外部からの刺激がなければ、いつまでも割れません。これと同じです。
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補足への回答は以上ですが、ご参考までに若干追記します。

水中の半径Ｒの気泡（球）の表面には、20℃でγ＝0.07275Ｎ/ｍ（理化学辞典3版）の表面張力が存在します。
このときの水圧をｐ'、気泡内圧＝ｐとすれば、ｐは

ｐ＝ｐ’＋ ２γ/Ｒ
で計算できます。（例 URL↓）

水圧ｐ’＝1気圧（101325 N/m^2）、半径 Ｒ1＝100ｍｍ、Ｒ2＝1ｍｍ、Ｒ3＝0.01ｍｍ、γ＝0.07275Ｎ/ｍ（20℃）
としてｐ－ｐ’を求めると、各々
ｐ1＝2*0.07275/0.1＝1.5N/m^2、ｐ2＝146N/m^2、ｐ3＝14550N/m^2＝0.14気圧、
の内圧（ゲージ圧）が存在し、小さな泡ほど泡内部の空気は高い圧力を有します。

半径 0.01ｍｍ（10ミクロン）の泡は内圧が非常に高いので、内部の空気は速やかに水中に溶け込んで、すぐに消滅するでしょう。少し溶け込めば半径が小さくなってその分内圧が上がるので、加速度的に溶解します。
アルカリを含む高温の溶融珪酸塩の泡締め操作では、同じ原理が働いており、製品中に直径20ミクロン未満の泡は殆ど見当たりません。残るのはもっと大きな泡です。（泡に関する仕様が緩やかなビール瓶をよく見れば、肉眼で判る大きさの泡が沢山見つかります。）

水の表面張力は異常に大きく（cf：エチルアルコール（20℃）0.0223Ｎ/ｍ）、ストローに純水をつけて空中で息を吹き込んでも、シャボン玉のような泡はできずに水滴が飛び出します。

シャボン玉は界面活性剤の水溶液で作り、空気に対する表面張力が水単体よりも大きく減じており、丁度泡ができ易い性質になっています。（石鹸水のγが見つからなかったので、代替例：ドデシル硫酸ナトリウム 0.003mol/dm3 水溶液 0.0500Ｎ/ｍ、URL↓）
シャボン玉の表面は裏表の２面あり、γが２倍に働きます。
シャボン玉が液滴になりたくても、外圧よりも４γ/Ｒだけ大きい内圧が球殻をパンパンに張っており、自発的には潰れさせてくれません。

参考URL：

http://heat6.mech.okayama-u.ac.jp/thermal/ronbun/H110.pdf,http://www.ek.u-tokai.ac.jp/dl/surftens.pdf

お礼

ご回答有難うございます。

すこし質問を変えさせて頂きたいのですが、
１　重力があって、その影響でシャボン玉上部が薄くなり、割れる寸前の状態にする
２　１の状態を無重力にする
この状態において表面張力は、どのような作用をおこすのでしょうか？

身勝手な質問変更で申し訳ないのですが、ご回答頂けることを希望します。宜しくお願いします。

回答No.4

Kon1701

No.1です。
ゴム風船、これはゴムの張力が大きいので内部の気圧が高いですね。もしゴム風船がシャボン玉みたいに割れたなら、内圧で外に飛び出すシャボン玉液があるでしょうね。
シャボン玉の場合ですが、確かに内圧は高くないです。ですが、割れたシャボン玉の液は、表面張力などが働いていますから、球面の面の方向（法線とは直角方向ですね）に移動する可能性があります。ですから、やはり飛び散ると考えます。実際、シャボン玉が弾けるとそうとう飛び散ります。(体験されていると思うのですが・・・）

お礼

ご回答有難うございます。
＞球面の面の方向（法線とは直角方向ですね）に移動する可能性があります
割れた破片の１方向に張力が働く場合、まったくその通りだと思います。
割れた破片の中心近辺に張力が働くとすると合力は球体の外側に向かうと思います。
・・・・破片の大きさ、重心等で変わると思いますが・・
いずれにせよ、大変失礼致しました。

ところで、自ら招いた結果で申し訳ないのですが、質問の内容がズレています。
割れにくくなることは間違いないと考えているのですが、No.1様は、分子間力の作用に対して、どのようにお考えでしょうか？
・表面張力によって水滴になりたい（つまり割れる）
・表面張力によって球殻を維持したい（つまり割れない）
宜しければ、ご回答お願いします。

回答No.3

noname#252183

液体は同一質量（体積）なら表面積最小が一番エネルギーが低いので、シャボン玉（球殻）よりは遥かに表面積が小さい水滴（球）になりたがっています。
球にせよ球殻にせよ、デコボコよりはまん丸の方が表面積は小さくなります。
質量（体積）が大き過ぎれば、球を作れず自重で潰れてしまいますが。

巨大なゴム風船は割れても飛散しませんが、石鹸水（など液体）で作ったしゃぼん玉の分子間結合力（＝表面張力）よりも、遥かに大きな分子結合力をゴム(など固体)が持つためです。

お礼

ご回答有難うございます。

＞球にせよ球殻にせよ、デコボコよりはまん丸の方が表面積は小さくなります。

・・スミマセン・・　結局どちら（割れる割れない）でしょうか？

文意を理解できず申し訳ありませんが、ご回答お願いします。

回答No.2

noname#252183

うろ覚えですが確かＮＨＫの番組で、シャボン玉が割れる瞬間の高速度撮影映像を見ました。
既出の

>シャボン玉、液が重力の影響で下がり、上部が薄くなることがありますから。

そのもので、シャボン玉の天頂部の色が黒ずみ（膜厚が薄くなり）、次いで天頂部が消失して、破断円が球表面を下りて行きました。（球の下方は元の形を保ったまま潰れず、上方の欠損部分が徐々に拡大して行きました。）
最後に全部がしぶきになってお仕舞い。

無重力なら液が一方に偏ることがなく表面張力によって均一膜厚を維持できる筈ですから、水と界面活性剤の蒸発を防ぎ、物に接触しなければ、いつまでも球のままでしょう。

お礼

ご回答有難うございます。
私の疑問の真意は、
（仮に）１０ｇの石鹸水でできた直径約１ｍのシャボン玉に働く力は、
・表面張力によって１０ｇの水滴になりたい（つまり割れる）
・表面張力によって直径約１ｍを維持したい（つまり割れない）
どちらなのかということです。
なぜ表面張力によって均一膜厚を維持できるのか、わかり易いご説明をいただけると有難いです。

回答No.1

Kon1701

割れにくくなるかもしれませんね。
シャボン玉、液が重力の影響で下がり、上部が薄くなることがありますから。

でも・・・スペースシャトルなどでは実験は難しいでしょうね。”実験施設”として持ち込むほどのものではないし、普通に船内でシャボン玉を作ったら、割れたときに飛び散る液が機器類に悪影響を与える可能性がありそうです。

お礼

ご回答有難うございます。

ちなみにシャボン玉って割れたとき中心から外側に飛散するんでしょうか？

巨大なゴム風船って割れても（ほとんど）飛散せず、ゴムの破れた残骸は元（膨らんだ状態）の直径の範囲の下に落ちるだけ・・かな？

つまり、シャボン玉でも同じように、割れても　中心から外側に向かうエネルギーは（ほとんど）存在しない気がするので、飛び散らない気がするのですが、いかがでしょうか。