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小一の娘の自由研究で、疑問がありました。ボウルに水を入れて一円玉を浮かせる実験をしました。水がいっぱいのときは、一円玉はふちにくっつくのに、水が少ないときは真ん中に集まりました。でも、書類ファイルを丸く切ったもので同じように浮かべると、反対の結果になりました。(水が多いときは真ん中に、少ないときはふちの近くに集まる)これはどうしてですか?

A 回答 (5件)

 1円玉と同様の結果になるものといいますと…


 表面張力は、材質の水への濡れやすさにも関係しますので、丸い濡れにくい物質(プラスティックなど)の上に金属片を載せて、目方を重くしても似たような結果が期待できるのではと思いますが…
 表面張力の計算は下記URLにあるようなものです。

参考URL:http://www.face-kyowa.co.jp/inter/main.htm
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この回答へのお礼

再び、お答えいただきありがとうございました。ホームページも早速、拝見いたしました。とても詳しい説明でしたので、頭でもう一度整理して、飲み込んで行きたいと思います(一応理系の学部出身なのですが、物理は大嫌いでしたので・・・)。たぶん、結果は複雑で、来年の娘の自由研究には難しすぎると思いますが、私にとっても久しぶりに脳を働かせるいい機会になりました。もっと掘り下げていこうと思いますので、また機会がありましたら、よろしくお願いいたします。

お礼日時:2004/10/31 20:31

水がいっぱいの場合、真ん中より縁で水が低くなります。


1円玉の縁でも水は低くなります。
このとき、引き付けあいます。多分表面張力だと思います。
ファイルは縁で水が持ち上がっているので逆になります。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。一円玉と接してる水面の関係をもっと詳しく調べる必要がありそうですね。ファイルは厚みがないので、水面を引き上げてるイメージがわきにくいですね。おもちゃのプラスチックのお金などで検証してみたいと思います。また、新しい質問もしていく予定ですので、機会があればよろしくお願いいたします。お世話になりました。

お礼日時:2004/10/31 20:22

 これはきっちり説明するのが結構難しい問題ですね。


 重力と浮力だけを考えると、一円玉が低いところに行くのは説明できますが、浮力は所詮重力と反対方向の押す力で、重力以上にはなりませんので、ファイルの方が高いところに行くのが説明不能です。
 ファイルの方はそれこそ張力(引く力)によって高いところにいく筈ですから、表面張力を考慮に入れねばなりません。
 ただ、大づかみに言うと、相対的には一円玉の方が比重が重いので下に行くということはいえるでしょう。
 
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この回答へのお礼

回答ありがとうございました。お蔭様で一円玉については理解できましたが、ファイルについてはまだまだ分からないことがあります。夏休みに、形を変えて(三角、四角、棒状など)浮かべると、浮かぶ形のパターンが決まってたり、ストローを浮かべるとまた水位でかなり違った様相を呈してました。今年は結果だけで全然考察できませんでしたので、来年の夏までに解明していきたいと思ってます。また、ストローについては、新たに質問をしていきますので、もしよろしければ一緒に考えてみてください。本当にありがとうございました。

お礼日時:2004/10/30 11:14

コップいっぱいの水(表面張力で膨らんだ状態)では、水より重い一円玉は、重力を受け低い位置へ移動する。

 つまり、コップの淵ですね。

コップの口よりも水の表面が低いと、逆にコップの淵は水面が高くなっているはず、このため先と同じ理由で一円玉は、コップの淵に行かない。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。納得いたしました。他にも一円玉と同じような結果が出る素材を探しています。もしご存知であれば教えてくださいませ。よろしくお願いいたします。

お礼日時:2004/10/30 10:41

おそらく重さ(密度)に関係しているのだと思います。


要は1円玉は水より重いですが、書類ファイルは水より軽いです。
水面は水が容器より少ない場合は周りが真中より高くなり、逆に水がいっぱいの時は真中が高くなります。
1円玉は表面張力で浮いていますが、ファイルは浮力で浮いています。
軽いものは上に行きますのでそういう結果になるのだと思います。
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\____/     \____/

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一円玉を近づけたとします。液面のくぼみが重なり合います。間にある膜のふくらみが押さえられますから角度が変化します。

\____/\_____/
    ↑ この部分のふくらみが小さくなって角度が変わる
   
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(このことから言えば、くっついた状態では一円玉は水平から少し傾いているはずだということになります。接点の部分が少し沈んだ状態になっているだろうということですから観察で確かめることができそうですね。3つの硬貨がくっついている場合は真ん中の水面のふくらみは外のふくらみよりも弱くなっているだろうということも確かめることができるはずです。)

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具体的に言うと、引力が働くのは1円硬貨が浮いていることによって生じている水面のくぼみの範囲です。
2つの硬貨の水面のくぼみに重なりが生じると急に近づきます。
そのくぼみよりも遠いところにあれば何の変化も生じません。少し離れたところに別の硬貨が浮いていると認識することを1円玉がやることは不可能です。
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※近づく理由
水面のくぼみに重なりが生じるとその部分(2つの硬貨に挟まれた領域)での曲率が変わります。水面の盛り上がりが小さくなるます。硬貨は少し傾きます。表面張力の水平成分の打ち消しが起こらなくなります。近づく方向に力が働きます。

※浮く理由
表面張力で浮いていると普通は表現されています。
でも水の表面張力の値を調べて計算すると1gwの重さを支えるには不足しています。
半分ぐらいしか出てこないのです。
残りの半分は硬貨の沈み込みによる浮力によるものだろうと考えられます。
アルミの比重は2.7です。
硬貨の上の面が水面と同じ高さにあれば浮力は(1/2.7)gwです。
これでは足りません。さらに厚みの半分ぐらい余分に沈んでいる必要があります。
表面張力はこういう硬貨の沈み込みを実現するためにも必要なのです。
表面張力だけが硬貨の重さを支えているのではありません。

水に浮かべた1円硬貨が自然と近づいてきてくっつくということが起こるのは距離がある値よりも近い場合です。
離れている硬貨をくっつけるような遠距離の引力がはたらいているのではありません。
具体的に言うと、引力が働くのは1円硬貨が浮いていることによって生じている水面のくぼみの範囲です。
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Q浮く1円玉について

こんにちは。

今、1円玉が水に浮くことについて調べています。

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どなたか分かりやすく教えていただけないでしょうか?
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

表面張力だけが浮く理由ではありません。
浮力と表面張力が合わさって浮いています。
表面張力だけでは一円玉の重さを支えることが出来ません。
一円玉は少し沈んだ状態で浮いています。一円玉の底面の高さと周囲の水面の高さの差に相当する水圧が底に下からかかっています。これが浮力です。
表面張力で出来た水の膜による力と合わさっています。
(1円玉は重さ1.0g、直径2.0cmです。周囲の長さは6.3cmになります。ここに表面張力が働くとしても半分ほどの重さしか支えることが出来ないのです。面積は3.14cm^2ですから底の部分が1.7mmほどの深さに沈んでいれば浮力でまかなうことができるという計算になります。)
http://www.con-pro.net/readings/water/doc0011.html

一円玉を2つ浮かべます。2つの一円玉の距離があるところまで近づくと急にくっついてしまいます。一円玉の数が多いと綺麗に整列するようになります。正三角形、正六角形を基本とする構造です。少しゆすってやるとうまく位置を変えながらくっついて行きます。面白いです。
浮いている一円玉の周りの水面は底面の周囲に接するところから周りの水の面まで曲線状に盛り上がっていきます。この接するところでの水面の傾きが変わると表面張力の上向きの成分の大きさが変わってしまいます。2つの一円玉が近付くとくぼみの部分に重なりが生じます。水面の盛り上がりが弱くなりますので表面張力の上向きの成分が小さくなり横向きの成分が大きくなります(一円玉が水平ではなくて向かい合っている側が少し沈むようになるということの結果とする方がいいかもしれません)。2つの一円玉が近付く方向に動き始めます。

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