鉄は水より密度が大きい物質です。それでも、小さなクリップを水面にそっと置くと、沈まずにとどまることがあります。鉄が急に軽い物質へ変わったわけではありません。水面付近では、浮力に加えて表面張力の働きも考える必要があるのです。
ここで扱うのは、水面を大きく乱さずに置いた小さなクリップです。同じクリップを水中へ十分に沈めてから離した場合とは、接している場所が違います。「鉄は浮く」「鉄は沈む」のどちらかを丸暗記するより、水面にあるのか、水の中にあるのかを図で分けましょう。
水面を、横から見る
真上から見ていると、クリップと水面がどのように接しているか分かりにくいものです。横から見ると、クリップの周囲で水面がへこんでいることがあります。この変形した水面が関わる支えを、浮力だけの説明に押し込めないことが大切です。
液体の表面には、表面積を小さくしようとする性質があります。これを表面張力として扱います。水滴がまとまった形になる現象や、水を入れたコップのふちで水面が少し盛り上がる現象も、この性質と関係しています。水の粒どうしの引き合いが、表面の振る舞いに表れると考えるとよいでしょう。
ただし、「水面にはビニールの膜が張ってある」と受け取らないでください。実際に別の材料の膜があるわけではありません。膜に似た支え方を手がかりに考えることはできますが、針で穴を開けたら永久に穴が残るような固体の膜とは異なります。
浮力を消して考えるのでもない
表面張力が登場したからといって、浮力がなくなるわけではありません。静かにとどまっているなら、クリップを下へ引く重力に対して、浮力と水面付近の作用による上向きの支えがつり合っています。新しい名前を覚えると、前に習った力を図から消してしまいがちなので注意しましょう。
一方、水中に完全に沈めた、小さな中身の詰まった鉄のクリップでは、押しのける水の重さよりクリップ自身の重さが大きくなります。空気の泡などの影響もなければ、浮力だけでは支えきれません。水面にとどまれたことは、この密度の関係を否定していないのです。
密度と浮き沈みの計算で、表面張力の影響を考えないと条件がついているのは、このような現象をいったん除いて考えるためです。条件を読み落とすと、計算と観察が矛盾しているように見えてしまいます。使っているモデルが何を含み、何を省いているかを意識してください。
洗剤を加えた結果を、どこまで説明できるか
水面にとどまったクリップの近くへ、少量の食器用洗剤を加えると、沈む場合があります。洗剤に含まれる界面活性剤によって水の表面張力やぬれ方が変わり、それまでの支えが保てなくなるためです。クリップの鉄が、その瞬間に別の重い金属へ変わるわけではありません。
この比較をするとき、洗剤を勢いよく落として水面を揺らしてしまうと、結果の読み取りが難しくなります。液体を加えたことによる衝撃なのか、洗剤の成分による変化なのかが混ざるからです。少量の水だけを、同じような方法で加える比較を用意する意味がここにあります。
実際のとどまりやすさには、クリップの大きさ、形、表面の状態、置き方なども関係します。一回沈んだから表面張力がない、と判断してはいけません。観察した成功・失敗の数と、そこから考えた理由を別の欄に書くと、結果を思い込みで整えることを防げます。
例題1｜同じクリップで結果が違う
水面に静かに置いたクリップAはとどまりました。同じ材質・同じ形のクリップBは、水中に沈めてから離すと底へ落ちました。「Aの密度は水より小さく、Bの密度は水より大きい」と説明してよいでしょうか。
答え・解説：その説明はできません。材質などが同じなら、置き方だけで密度の大小が逆転したとは考えません。Aは水面に接し、その付近の表面張力による支えが働く状態です。Bは水中へ沈めてから離しているので、同じ支え方にはなりません。位置と接し方の違いを、まず理由に挙げます。
例題2｜洗剤の効果を調べる比較
水面上のクリップに洗剤を一滴落としたところ、すぐに沈みました。観察者は「洗剤を入れたから沈んだ」と考えました。液体を落とす衝撃の影響を確かめるためには、どんな比較を追加するとよいでしょう。容器の違いで結果が変わらないようにする条件も挙げてください。
答え・解説：別に用意した同じ状態の水面へ、洗剤の代わりに水を、同じくらいの量・高さ・位置から静かに加えます。容器、水量、クリップの種類や置き方もそろえます。水でも沈むなら、加え方で水面を乱した可能性を検討します。洗剤の実験をした後の同じ水を、そのまま水だけの比較に使わないことも重要です。
「浮く」の中身を、力で分ける
木片が水に浮くこと、空洞のある船が浮くこと、小さな金属が水面にとどまることは、見た目だけならどれも「浮く」です。しかし、何が支えになっているかを確かめると説明は分かれます。浮力を力の矢印で考える記事と合わせ、物体の名前ではなく、働く力を順に描いてみてください。表面張力は、密度の知識を捨てる話ではなく、その計算の条件を理解するための題材です。