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2010年7月16日 (金)

洗濯物と濡れと表面張力

 

ちょっと長い旅行などで、シャツや下着などを洗濯する必要が出てくる。

濡れたシャツなどを絞っただけでは、十分に脱水できず、脱水機もないので、色々工夫することになる。

一番手っ取り早いのは、濡れたシャツなどをバスタオルで挟んで床において、

上から乗って、少しその上でジャンプする方法。

これはかなり脱水できる。

 

こうしてから、ハンガーにつるして、皺を伸ばして、1時間ほど置くと、

重力の影響で、シャツの下の方に、水が溜まってくるので、それを絞る。

こうすることで、乾燥の速度が速くなる。

 

バスタオルで脱水する方法では、タオルが十分に乾いていて、濡れやすい素材の必要がある。

 

新しいタオルは、時々、濡れにくくて、気持ちが悪い。

 

濡れるということはどうゆうことなのか?

 

まずは、濡れない場合から考えて見ましょう。

 

油の膜でコートしたガラスの表面に水をたらすと無数の水滴になります。

これは極端に濡れない場合の例です。

液体に限らず、物体の表面には表面張力があります。

 

表面張力は実は単位面積当たりの表面エネルギーでもあります。

(この理由ついては次の機会に話します。)

 

表面張力は、物体の表面の隣同士の原子間(あるいは分子間)の力によっています。

 

油で覆われた表面における水は、水分子が油の分子と結合を作りにくいために、

界面での結合力が小さいか、あるいは全然結合しません。

一方で水分子間の力は強い(表面張力が大きい)ので、

水滴は表面全体のエネルギーを下げるために、同じ体積で最も表面積の小さい球形になります。

 

表面積が大きいと、それだけ全体の表面エネルギーは大きくなって、エネルギー的に損になります。

 

水と油の結合が弱い場合、水滴と油膜の間のいわゆる界面のエネルギーは油膜の表面エネルギーと水の表面エネルギーの和になるので、

界面のエネルギーは水滴の表面のエネルギーよりも大きくなります。

そのために、界面の面積を減らしたほうが、全体のエネルギーは低くなるので、

非常に小さい面積で接触しようとします。

水滴が球形になれば、油膜と接触はほとんど点になるので、接触面積は最小になります。

この二つの効果で、油膜上の水滴は、球形になり、転がりやすいのです。

 

では、濡れる場合はどうなのか

濡れない場合の反対で、物体の表面と水分子の間に結合が生まれると濡れると考えられます。

 

水は紙などの表面では、良く濡れます。

 

水分子と紙の分子の間には、強い引力が働きます。

この引力で、水分子は紙の繊維に吸着します。

 

吸着するということは、それによって、エネルギーが低くなることなので、

(もしエネルギーが低くならなければ、好き好んで吸着しなくてもいいわけだから)

このエネルギーは負になります。

水が紙の繊維の表面に吸着すると全エネルギーは吸着によって界面を形成する負のエネルギーと、

残りの水の表面の表面エネルギー(表面張力)との和になります。

(紙の繊維の表面エネルギーは吸着で変化しないのでここでは考えないことにします。)

水の表面エネルギーよりも吸着による負のエネルギーが勝てば、

界面が拡がったほうがエネルギー的に得になる(ということはエネルギーが低くなる)ので、

水は紙の表面に拡がってしまうのです。

 

すなわち水分子が紙の繊維の表面と(水分子同士よりも)強く結合すれば、結合によって、

エネルギーが非常に低くなるので、結合の部分を増やした方が得になり、

濡れるわけです。

 

また、水分子が紙の繊維分子に強く引っ張られるので、毛細管現象で、紙の繊維の中に入り込みます。

 

濡れたシャツを、乾いたタオルに挟んで、叩くと、シャツに含まれる水は、毛細管現象で

タオルの繊維に入り込んで、シャツを脱水できるわけです。

 

当たり前なことも、物理を使って話すと結構面倒くさくなりますね。

しかし、難しくて複雑なことは、かえって簡単になります。

 

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コメント

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ずいぶん前の日記にコメントして、ごめんなさいthink
六歳の娘に「なんで水は濡れるの?」と何度も質問されてwobbly、調べているうちに、こちらへたどりつきました。
子供を育てているとこちらも一緒に勉強させてもらえるなぁと思います。

一宮先生に感謝ですclover

のん太さん、

コメントありがとうございます。
お役に立てればうれしいです。note

分かりやすく書けているかどうか…ちょっと心配です。
なるべく分かりやすく書こうと思っているのですが、なかなか上手く行きません。despair

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