科学的発見の真の前兆は「ユリカ！」ではないと言われてきました。でも「へぇ…面白い…」 Sebastian Bianchi の場合は、まさにその通りでした。1 杯のお茶で、彼は水の表面張力に関する興味深い、直感に反する洞察にたどり着きました。
2008 年にキューバのハバナ大学で物理学を専攻していたとき、ビアンキは南米で人気のある (そして強力な) 紅茶であるマテ茶を淹れているときに、何か異常なことに気づきました。マテの準備は、カップに詰めたマテの葉に熱湯を注ぎ、急にすることです。一般に、物事は下流に流れる傾向がありますが、彼はいくつかのマテの葉が不可解にもやかんに戻っていることを発見しました。どういうわけか、彼らは上流に移動しました.
ビアンキは、ハバナの物理学者仲間であるエルネスト・アルトシュラーにメンターを見つけ、いくつかの実験を手伝ってくれましたが、彼らは結論を発表することはありませんでした.しかし、Altshuler は何が起こっているのかという疑問に引き続き興味をそそられ、昨年、ラトガース大学の物理学者 Troy Shinbrot と力を合わせて、以前の実験を再現しました。
セットアップには、2 つのタンクを並べて配置し、一方を他方より高く配置しました。タンクは水路で接続されており、水は上部のタンクから下部のタンクに流れることができました。次に、マテ茶の葉とチョークの粒子を底タンクの水面にまき散らしました。案の定、葉と粒子はすぐに上部タンクの水に流れ込みました:
茶葉は重力に逆らいません。それらは単に複雑な流体力学に応答しているだけです。 Proceedings of the Royal Societyに掲載された論文で A、物理学者は、この挙動は複数の要因の組み合わせに起因すると結論付けました。つまり、水の表面張力と渦流の違いです。
主な原因はマランゴニ効果であり、1855 年にジェイムズ トムソンによって発見されました。ジェイムズ トムソンは物理学者であり、彼の兄弟はケルビン卿でした。これもまた「面白い」瞬間でした。トムソンは、夕食時にワイングラスの側面に水滴や小川が形成されていることに気付き、特にアルコール度数の高いワインの場合、なぜこれが発生するのか疑問に思いました.ワインは主にアルコールと水で構成されており、アルコールは水よりも表面張力が低くなります。そのため、表面張力のわずかな違いにより、水はアルコール濃度の高いポケットから流れ去る傾向があります.
次に、表面張力が液体を狭いチャネル (またはワイン グラスのような容器の壁) に引き上げ、その質量が十分に重くなり、元の位置に戻る毛細管現象があります。植物は毛細管現象を利用して、茎から葉に水と栄養素を輸送します。これは、いわゆる「芯効果」にも見られます。灯油ランプでは、灯油が芯を上ってゆっくりと安定して燃焼します。
ワイン (または下に示すバーボンのようなアルコール度数の高いその他の成人向け飲料) の場合、液体はグラスの側面にぶつかり、毛細管現象のおかげで上昇し始め、膜を形成します。アルコールと水の両方がプロセスで蒸発しますが、アルコールの蒸気圧の方が高いため、蒸発速度が異なります。これにより、その領域のアルコール濃度が低下し、表面張力が増加するため、さらに多くのワインが上向きに引き出され、最終的には崩壊してグラスの小川に戻るほど重くなり、涙、脚、カーテン、または教会の窓。
必然的に形成される渦流に「乗る」ことによって、茶葉とチョーク粒子でも同様のことが起こります (マランゴニ効果は技術的には一種の対流です)。牛乳をコーヒーに混ぜたり、煙の輪を吹き飛ばしたり、浴槽の水が渦を巻いて排水管を下ったりするのを見たりすると、誰もが渦を見たことがある.
これらは決して新しい現象ではありませんが、それらが組み合わさって茶葉を上流に推進するのに十分な力を発揮できることは驚くべきことです.物理学者の結論は、汚染粒子が実験室のサンプルを保持しているピペットに時々入り込む理由、または汚染物質がゆっくりと流れる川で時折上流に移動する理由も説明するかもしれません.
ビアンキの「面白い」瞬間は、物理実験がお茶に触発されたのも初めてではありません。数年前、当時コロラド州の機械工学の大学院生だった Daniel Ives は、ハイビスカスの茶葉がどのように熱湯を注入するかを調べる流れの可視化実験を思いつきました。彼は白紙の背景に透明なコップのお湯を置き、その表面に数枚のハイビスカスの葉をまき散らし、拡散プロセスのさまざまな段階を撮影しました.
Ives は、ハイビスカスの花が水を吸収して膨らみ、吸収された水分が花から水溶性粒子を引き出し、水に溶け出し、お茶を注入した水が平衡に達するまで、徐々に外側に拡散し、下方に拡散することを発見しました.茶葉は、水よりも密度が高く、アルキメデスの原理 (元の、おそらく外典の「ユーレカ!」) に従って、それらが押しのける水の質量に相当する上向きの浮力を示します。一瞬。しかし、重力も茶葉の各粒子を下方に引っ張っています。これは小さな効果ですが、浸出した粒子ですでに飽和している水がゆっくりとグラスに沈むのに十分です.
おそらくいつの日か、アイブスと彼の仲間の物理学者は、ジョージ・オーウェルの 1946 年の主張をテストするようになるでしょう。それは、お茶を完全に淹れるには、水が沸騰している必要があるなど、他の厳しい条件も含まれるということです。それまでの間、お茶を一杯飲むだけで、自然について何か興味深いことを学べるということを知ってうれしいです.
Jennifer Ouellette はサイエンス ライターであり、 の著者です。 微積分日記 および今後の 私、私、そしてなぜ:自己の科学を求めて. Twitter @JenLucPiquant で彼女をフォローしてください。
先頭の写真は、Flickr 経由の Bo (「ダニエルと呼んでください」) Gao の厚意によるものです。
この古典的な Facts So Romantic の投稿は、2013 年 7 月に最初に公開されました。
