中学受験理科｜霧から水を集める網｜水滴の捕集量と面積の比較

霧の多い場所で網を立て、水を集めるしくみがあります。網が空気から水を作っているのでしょうか。霧は、空中に浮かぶ小さな液体の水滴です。風で運ばれた水滴が網へぶつかり、まとまって下へ流れることを利用します。目に見えない水蒸気が冷たい面で凝結する現象とは、出発時の水の状態を分けて考えます。

網を通る空気と付着する水滴

網の手前から空気の流れを矢印で描き、その中に水滴の点を入れます。すべての水滴が必ず網へ付くわけではありません。網を通り抜けるものや、うまく回収されないものもあります。網の形、風、霧の状態などで集まり方は変わります。網の面積を増やせばどんな場所でも同じ割合で水が増えるとは限りません。

集まった水は、溝などを通して容器へ導きます。網に付いた量と、最終的に容器へ届いた量も区別します。途中で蒸発したり、別の方向へ落ちたりすれば、捕まえた水が全部回収されるわけではありません。問題の「捕集効率」がどの段階までを指すかを確認しましょう。

図：霧から水を集める網｜水滴の捕集量と面積の比較。数値と形は本文の模型条件に対応する模式図です。

例題1　面積と時間をそろえて比較する

網Aは面積2平方mで6時間に12L、網Bは面積3平方mで4時間に12Lの水を集めました。この期間内では条件が一定だったとし、1平方m・1時間あたりの回収量を比べます。それぞれいくらですか。この数字だけで網の材料そのものの優劣を決められますか。

答え・解説： Aは12÷2÷6＝1L、Bは12÷3÷4＝1Lで、どちらも1平方m・1時間あたり1Lです。同じ12Lでも面積と時間が違うので、まず両方で割ってそろえます。ただし、風や霧の濃さなどの環境条件が違うなら、材料の性能まで同じと確定できません。計算でそろえた条件と、実験でそろえる必要がある条件は別です。

面積だけで割るとAは6L、Bは4Lとなり、Aが優れているように見えます。しかしAは観測時間も長くなっています。逆に時間だけで割っても面積の差が残ります。一つの条件を直したところで止めず、比較に関係する数量をすべて確認します。

例題2　空気中の水滴から上限を求める

網の対象範囲を通る空気の体積が10000立方mでした。その空気には、霧の液体の水滴が1立方mあたり0.2g含まれています。その25％が容器まで回収できる模型です。集まる水は何g、何Lですか。水1Lを1000gとします。

答え・解説： 通過する水滴の合計は10000×0.2＝2000gです。回収は2000×0.25＝500gなので、500÷1000＝0.5Lです。空気10000立方mの25％が水になるのではありません。25％を掛ける対象は、空気中に液体として含まれる水滴の重さ2000gです。

この0.2gは液体の水滴の量です。空気中の水蒸気量や相対湿度とは同じ値ではありません。相対湿度が100％という情報だけを使って、空気の体積のすべてが水だと考えることもできません。空気、水蒸気、水滴を図の中で区別すれば、百分率を掛ける対象がはっきりします。

網目は細かいほどよいのか

細かい網なら水滴を捕まえやすそうに感じますが、空気が通りにくくなるなどの影響も考える必要があります。網の面積だけでなく、糸の太さ、目の大きさ、濡れ方、設置向きなどが関わります。ここでは最適な形を決める式は与えていません。「細かいほど必ず多い」と単調な関係を想像せず、実測の表を読みます。

比較実験なら、同じ場所、同じ期間に設置し、互いに風を遮らない配置を工夫します。別の日に片方ずつ測れば、網の違いと天候の違いを区別しにくくなります。回収容器があふれた場合は、その時点から実際の総量を測れていない可能性もあります。容器の容量も測定の条件です。

水が集まることと飲用できること

霧の水滴には、空気中の成分が含まれる場合があります。網や容器の状態も水質に関係します。集まった水が透明だから、そのまま飲めると判断してはいけません。水資源として使うには、用途に応じた水質確認や処理が必要です。この原稿の例題は量の計算を扱い、安全性を判定するものではありません。

入試で新しい装置が紹介されたら、何を入口で数え、どの割合で出口へ届くかを探します。霧の網では、通った空気量から水滴量を求め、回収率を掛け、最後に重さを体積へ直します。見慣れない技術でも、物の状態と百分率の基準を分ければ、必要な式を順番に作れます。

霧のある時間だけで比べる場合

一日中設置して24時間の回収量を測る方法と、霧が出ていた六時間だけの回収量を使う方法では、時間あたりの数値が変わります。たとえば同じ12Lでも、24時間で割るか六時間で割るかで四倍の差になります。どちらも目的に応じた値ですが、説明なしに並べれば性能差と誤解されます。暦の時間と実際に霧へさらされた時間を分けて記録しましょう。

風向きが変わると、網の正面を通る空気量も変わります。網の見かけの面積だけでなく、風に対してどの向きに立っているかが重要です。斜めから見た面積を使う計算が問題で与えられた場合は、網そのものの面積と区別します。測定値を面積で割るときにも、どの面積の定義なのかを確認します。

雨が網や容器へ直接入った場合、集めた量には霧以外の水も含まれます。霧だけの性能を調べたい実験なら、降雨の記録や別の受水容器を使い、混ざった経路を見分ける工夫が必要です。