水滴は斜面を滑るのですか。

質問

小さな水滴は、葉の上など、油の層の上では転がります。また、この「教えてGoo」でも扱われていましたが、熱したフライパンの上でも転がります。それでは、傾いた面があり、その面に油の層が無い場合、その面上の小さな水滴が動く際には、その水滴は摩擦を受けて滑るのでしょうか。滑るとすれば動摩擦を受けるわけですが、動摩擦係数はどの位と考えたらよいのでしょうか。また、「転がり」と「滑り」との間に境目はあるのでしょうか。

回答No.5

sekisei

こんばんは。

＞水滴の周りのキャタビラは・・このようなイメージとなります。
私もそう考えます。
水滴の表面では表面張力がありますので表面付近の水分子は内側へ引き込まれる力を受けているようです。
さらに表面の水分子は空気分子と緩く結合もしているようで、ある意味水の表面には仮想的な薄い膜があるようです。
http://tnsc.sugoihp.com/eki2000/eki1.html
そこから考えると表面の水分子は表面に留まろうとする力が生じていて一部の表面が動くと他表面も引きずられて動くと思います。
そのため水滴が斜面を下るとき、その表面がやはりキャタピラーのように動き、そしてその表面直下の水も粘性によって引きずられ・・・と言うような具合で動くのだと思います。
粘性と水滴の大きさによっては水滴中心付近の水はあんまりその運動に参加しないかも知れません。
（ここはお餅のイメージとは違うかも知れません）

水滴の下部ですが、恐らく上記のような表面の膜（水分子・空気分子）があるため”ぬれまい”とする力が働くような気がします。
（実際には水分子も水中に潜った方がエネルギー的には楽でしょうが一旦空気分子との結合を解く際にエネルギーが必要なためこのようなぬれまいとする力が発生するように思えます）

結果、水滴上部では剥がれまいとする力、下部では濡れまいとする力が働いてある意味それが動摩擦力と似たものを生じるように思えます。

ただ、水滴をつけた表面の性質によっては上記は変わってくると思います。
具体的には水滴中の”水分子同士が引き合う力”と”水滴をつけた表面の分子と水分子の引き合う力”の大きさの関係です。
NO.2さんの言われた濡れ性です。

今回は水分子同士の引き合う力の方が強い場合と言うことで考えています。

＞物理学を本当・・
恐縮です。でも実際は数学があんまりだめで単に興味がある　程度の人間です。ただ自然現象への興味（理屈を知りたいという意味で）は強いです。
いつも身の回りの現象を見ては自分なりに考えたりしてます。
そういう意味で参考URLの内容は感心してしまいました。
また、回答させていただく際にはいろいろ調べたりしますので返ってこっちが勉強になっている事がほとんどです。

お礼

貴重な研究成果を教えていただき、ありがとうございます。以下のwebを印刷し、これから勉強致します。水の表面に仮想的な薄い膜があるという考えは素晴らしいと思います。柔らかいお餅の場合とは違う点もわかりました。取り急ぎ、お礼申し上げます。
>さらに表面の水分子は空気分子と緩く結合もして
>いるようで、ある意味水の表面には
>仮想的な薄い膜があるようです。
>http://tnsc.sugoihp.com/eki2000/eki1.html

補足

ご指示のあったhttpを読みました。素晴らしい論文です。そこで、私の場合も、何かキャタビラのようなものを考えて、その中に質量のある玉をいくつかいれて
斜面を滑らすというモデルで考えるべきでしょうか?。もし、計算機実験をするとしたら、全体を2次元にして、玉が6個位ならできそうです。玉と玉の間には相互作用があるはずですが、これは分子間相互作用をまねして短距離斥力(玉だから当然)と長距離引力的なものがいいのでしょうか?、あるいは(剛体)バネのようなもので結んで弾性を与えた方が実情に近いのでしょうか？よろしくお願いします。