6 entries by @satoshi
朝のコーヒーを淹れながら、ふと窓の外を見ると、桜の花びらと小さな枝が同時に落ちていくのが目に入った。花びらはひらひらと舞い、枝はまっすぐ落ちる。その光景を見て、学生時代の失敗を思い出した。「重いものほど速く落ちる」と当たり前のように答えて、教授に優しく訂正された、あの恥ずかしい記憶だ。
多くの人が誤解しているが、真空中では質量に関わらずすべての物体は同じ速度で落下する。これはガリレオが発見し、ニュートンの運動方程式で説明される基本原理だ。地球上の重力加速度は約9.8m/s²で、物体の質量とは独立している。つまり、羽毛も鉄球も、空気抵抗がなければ同時に地面に到達する。
では現実世界ではどうか。昼食後、試しに手元にあった消しゴムとティッシュペーパーを同じ高さから落としてみた。予想通り、消しゴムが先に着地する。これは空気抵抗のせいだ。物体が落下する際、その表面積と形状に応じて空気抵抗を受ける。ティッシュは軽く表面積が大きいため、質量に対する空気抵抗の割合が大きく、落下速度が遅くなる。
今朝、コーヒーを淹れながら窓の外を見ていたら、息子が「空はなんで青いの?」と聞いてきた。私は反射的に「太陽の光が大気で反射するから」と答えかけて、はっとした。それは正確ではない。
空が青い理由は反射ではなく、散乱という現象による。太陽光は様々な波長の光の集まりで、それが大気中の窒素や酸素の分子にぶつかると、波長の短い青い光ほど強く四方八方に散らばる。この現象をレイリー散乱と呼ぶ。波長が短いほど散乱の強さは約4乗に比例して大きくなる。だから紫はもっと散乱するはずだが、太陽光に含まれる紫の量が少ないこと、そして人間の目が青により敏感なことから、空は青く見える。
息子に説明するため、懐中電灯と水を入れたグラス、それに牛乳を一滴垂らして実験してみた。「ほら、横から見ると青っぽく見えるだろう?」光が小さな粒子で散乱されると、青い成分が優先的に散らばる様子を再現できた。息子は「へえ」と目を丸くしていたが、すぐに飽きて遊びに行ってしまった。
今朝、洗濯機を回しながら、回転している物体には「遠心力」が働いているのだと信じている人が意外と多いことを思い出した。実は昨日、友人との会話でこんなやり取りがあった。「遠心力で洗濯物が外側に押しつけられるんだよね」と彼は言った。私は少し考えてから、「厳密には違うんだ」と答えた。
遠心力は「見かけの力」であって、実在する力ではない。これは多くの人が誤解している科学の一つだ。回転する系の中にいる観測者から見ると、確かに外側に引っ張られるような感覚がある。しかし、実際に働いているのは求心力（中心に向かう力）だけだ。物体は慣性の法則により直進しようとするが、求心力がそれを曲げている。回転系の中にいる人は、その慣性を「外向きの力」として感じるだけなのだ。
例えば、車が急カーブを曲がるとき、体が外側に押しつけられる感覚がある。これは遠心力ではなく、体が直進しようとする慣性と、車がそれを曲げているという二つの現象が組み合わさった結果だ。洗濯機の脱水も同じ原理で、洗濯物は直進しようとするが、ドラムの壁がそれを阻んでいる。水は壁を通り抜けられるため、外に飛び出していく。
今日の実験: 塩と砂糖の溶解速度
朝のコーヒーに砂糖を入れたとき、スプーンでかき混ぜなくても数分で溶けていることに気づいた。でも昨夜、料理で塩を水に溶かしたときは、かき混ぜないとなかなか溶けなかった気がする。「砂糖と塩、どっちが早く溶けるんだろう?」と疑問に思い、簡単な実験をしてみることにした。
溶解速度とは、固体が液体に溶ける速さのこと。化学では「単位時間あたりに溶ける物質の量」と定義される。溶解速度は、温度・かき混ぜる速さ・粒子の大きさ・溶質と溶媒の性質など、複数の要因に影響される。
今日は「摩擦ゼロ」という表現について考えていた。友人が「新しいマウスは摩擦ゼロで滑らかだよ」と言っていたのだが、それは物理的にあり得ないのだ。
摩擦ゼロは不可能だ。2つの固体が接触する限り、表面の微細な凹凸が必ず相互作用する。真空中でも、原子レベルの力が働く。マウスが「滑らか」なのは摩擦が小さいだけで、ゼロではない。もし本当に摩擦がゼロなら、マウスは制御不能になり、机の上で永遠に滑り続けるはずだ。
では、どれくらい小さければ「実質ゼロ」と言えるのか。それは用途次第だ。例えば、スケートリンクの氷の摩擦係数は約0.02。鉄と鉄なら0.15程度。テフロンとテフロンでも0.04はある。完全なゼロではないが、多くの場合「十分に小さい」と言える。
今日の午後、コーヒーを飲みながら窓の外を眺めていたら、ふと「なぜ空は青いのか」という質問を思い出した。子どもの頃から何度も聞かれてきた質問だが、多くの人が「空気が青いから」とか「海の色が映っているから」と誤解している。実は、これは光の散乱という物理現象で説明できる。
太陽光は虹のように様々な波長の光が混ざった白色光だ。この光が大気中の窒素や酸素などの分子にぶつかると、レイリー散乱という現象が起こる。この散乱は波長の短い光ほど強く起こる性質がある。青い光は赤い光よりも波長が短いため、より強く四方八方に散乱される。つまり、私たちが空を見上げたとき、太陽から直接届く光ではなく、大気中で散乱された青い光が目に入るというわけだ。
これを理解するために、よく使う例えがある。暗い部屋で懐中電灯の光を牛乳を数滴垂らした水に当ててみると、光が散乱して水が青白く見える。これは小さな粒子(牛乳の脂肪球)が青い光を散乱させているからだ。大気中の分子も同じように、太陽光の青い成分を散乱させている。