水にぬれやすい細いガラス管を立てると、口で吸っていなくても、管の中の水面が外より高くなることがあります。これは毛細管現象です。ストローで飲むときのように、人が管内の空気を吸い出した結果とは違います。水と管の接し方、そして水の表面張力が関わっています。
このページでは、同じ材質・同じ清潔さのガラス管に同じ水を使い、管の上端は開いている場合を考えます。管の下端は同じ容器の水に入れます。ガラスが水にぬれやすいという条件も含めて、図を読みましょう。液体や管の材質が変われば、同じ向きの変化になるとは限りません。
水面と壁が接する部分に注目する
管の水面を見ると、真ん中より壁ぎわが高く、少しくぼんだ形になる場合があります。水が壁をぬらす性質と、表面を小さくしようとする働きを、別々の言葉として持っておくと便利です。水面の形は、液体だけでなく、その液体が何に接しているかにも左右されます。
管内では、水面が壁に接するふちに沿った表面張力の作用に、上向きの成分が生まれます。その働きに対して、外の水面より上がった水の重さが増していき、やがてつり合う高さに落ち着きます。「水は上へ進みたがる」という説明では、この止まる理由まで言えません。
ここでは細かな力の式を暗記する必要はありません。壁に接するふちに関わる支えと、持ち上がった水の重さを比べる、と押さえます。上昇した分だけ重さのある水柱ができるので、無限に上がり続けるわけではないのです。
細い管ほど、落ち着く水面は高い
ほかの条件をそろえると、水にぬれやすい細い管では、太い管より水面が高くなります。細い方が穴は狭いのだから、上がりにくそうだと感じるかもしれません。しかし、「最終的にどこまで上がるか」と「水がどれだけ速く通るか」は、同じ問いではありません。
たとえば管の内径を半分にすると、断面積は四分の一になります。一方、水が壁に接するふちの長さは半分です。同じ高さの水柱を比べれば、支える水の重さの方が大きな割合で減るため、細い管ではより高い水柱を支えられる、と考えられます。円の面積と円周が、同じ比で変わらないことが関係します。
理想的な細い円管で、液体とぬれ方が同じなら、上昇する高さは管の内径に反比例します。ただし、管が短くて上端に達してしまう場合や、途中で太さが変わる場合などは、この単純な比較から外れます。問題に示された関係を使うときは、何をそろえた模型なのかも確認してください。
ストローと同じ図にしない
ストローで水が上がる理由では、管の中の空気の圧力を下げることが出発点でした。毛細管の比較では、上端を開いたまま、口で吸わずに観察しています。どちらも管内の水面が上がりますが、操作と説明の入り口が違います。
また、地層のすき間にも水が入り込むので、毛細管現象は土の水分を考える手がかりになります。ただし、土の中の通り道は、太さが一定のまっすぐなガラス管ではありません。地下水と地層のすき間の図へ、実験で得た高さをそのまま当てはめるのではなく、細かなすき間にも水が保たれうるという見方をつなげます。
植物の道管も細いからといって、背の高い木の先まで水が届くことを毛細管現象だけで説明しきるのは不十分です。蒸散や水の凝集なども関係します。「細い管」という見た目が共通していても、働いている仕組みを一つだけに決めないことが大切です。
例題1｜高さの基準をそろえる
模型実験では、管Aの水面が容器の水面より4cm、管Bでは8cm高くなりました。管の下端の深さは同じです。「管Bの中の水全体の長さが、Aの二倍になった」と書いてよいでしょうか。
答え・解説：書けません。二倍なのは、容器の水面から上へ出た高さです。水中に入っている管の部分まで含めた水の長さは、別に考えなければなりません。毛細管による上昇の比較では、外側の水面を共通の基準にします。管の底から測った長さと、外の水面から測った高さを混ぜないようにしましょう。
例題2｜太さを変えた模型の予測
ある水とガラス管の組では、「落ち着いたときの上昇高さ×管の内径」が一定になると確認できました。内径0.8mmの管では高さ3cmでした。同じ条件で内径0.4mmの管を使うと、高さは何cmになると予測できますか。この計算から、上がり切るまでの時間も求められますか。
答え・解説：高さは6cmです。内径が半分なので、積を一定にする高さは二倍になります。0.8×3÷0.4＝6cmとしても求められます。一方、到達するまでの時間は与えられた関係に含まれていないので求められません。これは仮想の模型条件を用いた例題であり、この数値をどんな水とガラス管にも使える定数として覚える必要はありません。
高さを比べるなら、待つ条件も記録する
実験の途中で測った水面と、十分に落ち着いた後の水面は区別します。管の太さ、材質、ぬれ方、水温などをそろえるだけでなく、どの状態を測ったかをノートへ残してください。「細いから高い」という結論にも、何の高さを、どんな条件で比べたかがついています。その一言まで添えられると、暗記した説明を実験へ戻せます。