水が沸騰するときの主な音の発生源は 3 つあります。核形成、キャビテーション、表面のはじけです。気泡の破裂はキャビテーションと呼ばれ、その過程で最も大きな音のステップです。
料理には欠かせない部分であるため、料理には常に水を沸騰させることが含まれます。容器に水を入れ、ストーブの上に置き、蓋をします（熱エネルギーを最大限に利用するため）。しかし、水が音を立て始め、カバーが震え始めると、水が正常に沸騰したことがわかります。次に、沸騰したお湯を取り、レシピに必要なことは何でもします…でも待ってください！なぜ水が沸騰する直前に最も大きな音を出すのか不思議に思ったことはありませんか?
沸騰したお湯
沸騰している水をよく観察すると、沸騰し始めるとほとんどまたはまったくノイズがないことに気付くでしょうが、加熱が続き、温度が上昇し続けると、ノイズがより識別できるようになります。気温の上昇に伴い、音が大きくなります。沸騰する直前の瞬間に最も大きな音が聞こえます。
ガラスの鍋に水を沸騰させます。クレジット:Roman Sigaev/Fotolia
水の沸点が100℃であることはご存知かもしれません。沸点に達すると、水は目に見えてより攪拌されますが、音は抑えられます。これは、多くのオタク (私たちのような) と研究者をこの奇妙な現象に困惑させました.
このノイズを研究する動機
この現象に興味を持ったことがない場合は、この背後にある科学にはさらに重要な影響があることを知っておく必要があります.私たちがそれを理解していれば、科学者とエンジニアは、水を沸騰させている間だけでなく、通常は排気管に空気が閉じ込められたときに自動車から発生する刺激的な笛を最小限に抑えたり無効にしたりするために、その笛の音を分離して停止するシステムを開発できる可能性があります。
ケンブリッジ大学の研究者であるロス・ヘンリーウッドは、ノイズがどこから来ているかを知り、その原因を理解すれば、システムを再設計して、そのヒューヒュー音から解放できると考えています.
何十年もの間、科学者たちは、沸騰直前のお湯から出る口笛の音の背後にある科学を解読しようとしてきました.これは、John William Strut が著書 Theory of Sound で述べていることから明らかです。 その中で彼は、「振動が励起される方法に関しては、多くのことが不明なままです」と述べています。幸いなことに、長年にわたる技術の進歩と高速度カメラの出現のおかげで、研究者たちはついにその謎を解き明かしました.
基本的に、水が沸騰するときの主な音の発生源は 3 つあります:核形成 、キャビテーション と表面のポッピング .それぞれの詳細を見てみましょう。
核形成
この笛のような音の原因を理解するために、研究者はやかんで水を沸騰させ、高速度カメラを使用して水滴を間近で観察しました。現在、通常のビデオ カメラは通常、1 秒あたり 30 ～ 60 フレームの範囲でビデオをキャプチャしますが、優れた産業グレードの高速度カメラを使用すると、研究者は 1 秒あたり 15,000 ～ 30,000 フレームをキャプチャでき、これを理解して理論化するのに役立ちました。
Phantom v341:高速デジタル カメラ (写真提供:Mhoistion/Wikimedia Commons)
研究者は、騒音の最初の原因は水中に閉じ込められた気泡によるものであると指摘しました。水を加熱すると、水に溶けた空気が容器の底で泡になります。酸素や窒素などの非極性ガスの溶解度は、温度の上昇とともに減少します。水が加熱されると、この溶存ガスが気泡に変わり始めます。一定の大きさに達すると、これらの泡は底から放出され、容器内の水の最上層に上昇します。これを核形成と呼びます。したがって、水を沸騰させているときに聞こえる音の最初の原因は、これらの泡、つまり、底にできた泡です。
ハイスピードカメラを使わずに、沸騰中のやかんの中をよく見ると、やかんの底に小さな泡ができているのがわかります。強度の観点からは、この音は一般的に低く、周波数は約 100Hz です。ヒューヒューという大きな音は主にキャビテーションが原因であり、これについては以下で説明します。
キャビテーション
ケトル内の温度が上昇し続けると、これらの新しく形成された泡は、ケトルの上の水の層を通って上昇しようとします。これらの層は、一番下の層よりも比較的低温です。
気泡が上に移動しようとして、より冷たい水の層 (100oC 未満) に入る際、その過程で十分なエネルギーを失います。鍋ややかんの表面に到達する前に崩壊し始めます。これは数千回発生し、崩壊は非常に激しくなります。泡が崩壊してはじけると、強力な衝撃波が発生し、大きな口笛の音が発生します。泡がはじけると空洞ができて、空洞の周りの水は、急いでその空間を満たします。この現象はキャビテーションと呼ばれ、非常にうるさいです。
サーフェス ポッピング
温度が 100oC に達しようとしているとき、これらの泡は十分なエネルギーを得て、表面に到達し、穏やかではありますがはじけます。この時点での騒音レベルは抑えられます。このステップは、表面ポッピングと呼ばれます。最終的に、すべての蒸気が上に到達すると、騒音は完全に止まります。これが、水が沸騰すると静かになる理由です!
この予想外のノイズ 水の沸騰は、私たちが常に観察している日常の現象の 1 つですが、ほとんど考え直していません。今度、キッチンの横の部屋で料理をするのとはまったく違うことをするのに忙しいときは、この自然からの可聴合図に耳を傾けて、水が沸騰しようとしているかどうかを判断してください。土壇場でキッチンに駆け込んでストーブを止め、鍋があふれないようにしましょう!
