表面張力で１円玉が浮くのはなぜ？

質問

子供向けの実験で、水に１円玉を浮かべると、表面張力で浮くというのがありますが、いったいどんな力の作用で沈まないのでしょうか？
水の表面を引っ張る力と浮く沈むはべっこのものというふうに私は感じてしまうのですが…

回答No.8

ht1914

いろいろな意見が出ていますが結論はまだ出ていないように感じます。
アルミニウム自体は水に浮くものではありません。水より密度が大きいです。浮力だけでは足りないということです。
表面張力だけでも足りないというのも既に多くの計算がありますが念のために計算してみます。
１円玉の質量は１ｇですから重力は９．８×０．００１Ｎ＝０．００９８Ｎです。
理科年表に１５℃で７３．５×１０＾（－３）Ｎ／ｍと表面張力の定数が載っています。直径を２ｃｍとすると円周に働く表面張力の大きさは０．００４６Ｎです。。表面張力では重力の半分しか出せません。おまけに１円玉との接触面で液面が斜めになっているとすると上向きの成分で考えますからさらに小さくなります。
一円玉が水に浮いているときは表面張力で水をはじく状態になっていることがポイントです。それによって一円の沈み込みが大きくなり浮力が大きくなります。１円玉の底面が１ｍｍ沈んでいるとすると浮力は０．００６１Ｎです。
浮力だけでも、表面張力だけでも足りないことが分かります。

一度沈んだ１円玉を浮かすときはきれいに水気を取ってやらないと浮きません。水をはじくことによって浮力と表面張力の両方が働くことになります。

２枚の１円玉を浮かせるとあるところで近づいてきてくっつくという面白い現象があります。これの理由は物理のカテゴリーで議論されています。

http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2560309.html

お礼

ご回答ありがとうございます。

大枠でいうと
「浮力だけでも、表面張力だけでも足りない」
「水をはじくことによって浮力と表面張力の両方が働く」

ということでしょうか。
私には思考が追いつかず、詳しいコメントができない状況になってしまいました。
もっと勉強が必要なようです…。

色々と教えて頂きありがとうございました。

回答No.7

silverbear

ごめんなさい。No6のURL貼り間違えました。
こちらのページの
http://www2.hamajima.co.jp/~tenjin/labo.htm
このPDFファイルです。
一円玉はなぜ浮かぶ？（PDFファイル98KB）
http://www2.hamajima.co.jp/~tenjin/labo/1yen.pdf

回答No.6

silverbear

No2です。
皆さん表面張力だと言い切っているので、かなり不安になって調べてみました。
すると、実験をしたという人がいることが分かりました。
http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2570773.html
一円玉はなぜ浮かぶ？（PDFファイル98KB）

この方は水面にアルミを浮かべる実験をしています。
「一円玉だと表面張力だけでも浮かぶのかも？」と言う計算結果だったようですが、なんと８０φ×１ｍｍのアルミ版を浮かべる事が出来たようです。
このときの表面張力の計算値は0.02N以下ですが、重力は0.1N以上です。その差は５倍。
どう考えても表面張力だけで浮いているとは思えない。浮力で計算すれば計算が合いそうだという結論になったようです。

はたして表面張力の計算式が合っているのか？と言うのは俺には分かりませんが、２０φ×１ｍｍと一円玉は質量は１３．５倍になったにもかかわらず円周は約４倍にしかなっていないので、もし表面張力だけで支えていたのだとしたら、単純な比の計算を利用して８０φと２０φを比較すると（普通に考えて円周と表面張力は比例するはず）
質量[g]：円周[cm]=13.5[g]：25.1[cm]=x[g]:6.3[cm]
x=3.39[g]
となり、一円玉の表面張力にはまだ余力があるので２ｇぐらい重りを載せても大丈夫と言う事になりそうです。
俺は一円玉が３倍の重さに耐えられるとは思えないので実験はしてませんが、表面張力のみ説を肯定する為にやってみる価値はあるのではないでしょうか？

お礼

さらに詳しいご意見ありがとうございます。

私は、物理、数学に対する知識が乏しく、明快なお返事ができず、申し訳なく思います。

ただ、質問してみてわかったのは、実は非常に答えを得るのは難しく、とても小学生に教えられるような内容ではなかったということです。

「表面張力」に対してももっと深い理解が必要なようですし、曲面を扱う数学は大学以上の数学の知識が必要です。
子供に対して安易に「表面張力で浮いてるんだよ」と教えることには抵抗感を感じるようになりました。
子供にきかれたときは正直にそう話すことにしたいと思います。

私ももっと勉強して、自分の言葉で説明できるようにこれから頑張りたいと思います。

ありがとうございました。

回答No.5

joshua01

こんにちは。
つぎのような回答ではいかがでしょう。
ポイントは、「表面張力で浮いている場合、とても切れやすい網の上に一円玉が乗っている情景・・・」

　物質の原子・分子は、それ同士がある程度近づくと互いに引き合います。鉄などではとても強く引き合っているので、とても頑丈で、水でも氷になったら分子同士の引き合いが強いので、固い固体になっています。
　一方、液体の水は、熱（分子の振動）により、非常にちぎれやすくなっています。もっと振動（熱）を強くするとバラバラになり（気体。蒸発）ますが、液体の水の表面では、ちぎれやすく貧弱ながら分子同士の引っ張り合い（つながり合い）による「網」ができている状態です。
　ここにそっと一円玉を平らに置くのです。特に一円玉の外周（縁の角）の部分に力が集中していますが、平らに置けば外周全体で力を分散するので、なんとか持ちこたえています。一方、斜めに置こうとすると、その部分に力が集中して網が裂け、いったん裂け目の付いた紙がそこから破れるようにさらに力が集中してどんどんひろがってしまいます。
　そして、いったん水中に沈むと、まわり全部を網で囲まれた状態なので、網に「上に持ち上げる」能力はなくなり、重さとのバランスの問題である「浮力」だけが働く（だけどアルミの重さは支えられないので沈む）・・・ということになります。

　こんなに貧弱に見える表面張力ですが、実は水分子同士の張力は液体状態の物質の中では強いほうなのです。
　そこで、表面の汚れなどの関係で親水（水で濡れる）と撥水（水をはじく）のいずれの場合もあり得る一円玉の場合、「撥水状態」では水同士のつながりが優先しているので比較的強い力が保たれますが、水同士のつながりが切れて一部がアルミとつながる「親水状態」が発生すると網がそこからどんどん切れて沈んでしまいます。（それでももっと軽いアルミ箔なら裂け目がひろがりにくい）

さて、少々模式的に過ぎたかも知れませんがいかがでしょうか
お役に立てば幸いです。

お礼

ありがとうございます！
勉強になりました。

すごくわかりやすいです。
納得できるイメージが持てました。

よくＴＶなんかで見る分子のＣＧ映像みたいなのが、頭の中でイメージできます。

詳しく教えて頂き、ありがとうございました。

回答No.4

he-goshite-

１円アルミ貨と水の関係を断面図で表してみましょう。
※フォントの関係で，図がくずれるおそれがありますが，
推測してご覧ください。

もし，下の図のようになっていたら，
￣￣￣￣￣￣■■■■￣￣￣￣￣￣
アルミ貨が排除した水の重さよりもアルミ貨の重さのほうが重いので，
このまま沈んでしまいます。ところが，
水の表面に張力（表面張力）があるため，沈む途中で，
水の表面ができるだけ小さくなろうという作用（表面張力）によって
（概念図ですが）

￣￣￣￣￣￣　　　　￣￣￣￣￣￣
　　　　　　■■■■　
とはならず，

￣￣￣￣￣＼■■■■／￣￣￣￣￣

￣￣￣￣＼　　　　　　／￣￣￣￣
　　　　　＼■■■■／

のようになるので，排除した水の体積分の重量とアルミ貨の重量
とがつりあう深さでつり合って，止まります。

別の言い方をすれば，
トランポリンの上で人間がそれ以上沈まないのと同じだと考えれば
よいかと思います。

お礼

図を使って説明して頂きありがとうございます。

排除した水の体積分の重量＝アルミ貨の重量
となる深さを計算して、実験してその通りになれば正しいということになりますね。ウチには、そんな精密な実験装置がないのが残念です。

でもわかりやすく教えて頂きありがとうございました。

回答No.3

fba

1円玉が浮くのは表面張力そのものの作用です。試しに、1円玉を浮かべたすぐ近くに石鹸水をそっとたらしてみてください（勢いをつけると実験にならないので注意）。石鹸には表面張力を低下させる作用があるので1円玉は沈みます。

　浮き沈みは確かに別個のものです。最初から水中に1円玉を置いた場合には浮いてきませんよね。浮力はある物体の重さと”その物体が占めている体積と同じ量の水の重さ”との差として働きますから、アルミの塊である1円玉は水より重いので沈みます。（大気中であれば空気の重さとの差になります。熱気球が浮くのは温めた空気と冷たいままの空気の重さの差による浮力によります）

　同じ材質であるアルミ箔を同じ面積で三切れ用意して、そのままと丸めてつぶしたもの、中に水が入らないように空間を作って丸めたものを用意出来れば更に理解しやすいと思いますが…。

お礼

ご回答ありがとうございます。
「浮力」について詳しくなれたと思います。
ありがとうございました。

回答No.2

silverbear

個人的な意見ですが。
表面張力だけで浮いているのではないと思います。

水に物を沈める時、水圧により四方八方から押されます。
この力は水深が深くなればなるほど強くなります。
そして、沈めたものの厚みと面積の関係によって上下の力に差が出来るのが浮力となります。浮力がその物体の重さよりも強い時に物は浮き上がります。
ただし、厚みと面積は水深によって変化しないため、水深が変わっても浮力は変化しません。

一円玉は普通は沈みます。
これは厚みによる浮力よりも、一円玉の重さのほうが重かったからです。
しかし、水の表面にある場合、上には空気しかないため水から押されません。
つまり、この時は水に沈めている時に比べて浮力が大きくなります。
そのために浮かぶのではないでしょうか？

表面張力は１円玉の上に水が乗らないように作用しています。
この意味で表面張力で浮かんでいると言ってもいいのかな？と思います。

もしこれが「表面張力の力だけで浮かんでいる」としたら、船も表面張力で浮かんでいると言う事になってしうような気がします。

お礼

他の回答者の方々と比較すると「浮力増大説」は難しいかも知れません。
でも、ご意見ありがとうございました。

回答No.1

noname#58440

ピンと引っ張った二本の糸の上に1円玉を乗せる、こんな感じ
＝●＝
この糸を引く力が表面張力

理解して頂きました？

お礼

なんとなくわかりました。