針やクリップが水に浮くことがあるのはなぜ？
鉄でできた針やクリップは、水の中へ落とすと普通は沈みます。それでも、水面にそっと置くと浮くことがあるのは、水の「表面張力（ひょうめんちょうりょく）」が金属を支えるためです。
水面のすぐ下に支えが隠れているわけではありません。水面が金属の周りで少しくぼみ、その曲がった水面に働く力が、下へ引っ張られる金属の重さを支えています。ただし、金属を急に落としたり、洗剤が混ざっていたりすると沈みやすくなります。
水より重い金属が浮くのは、表面張力が働くから
鉄は、同じ体積の水よりも重い物質です。クリップを水の中へ押し込めば、そのまま底へ沈みます。しかし、そっと水面に載せれば、沈まずにとどまることがあります。
水は、とても小さな「水分子」が集まってできています。この粒同士は互いに引き合っていて、水の表面には、表面の広さを小さくしようとする力が働きます。これが表面張力です。
水面には別の皮が張っているわけではありませんが、表面張力によって、薄い膜があるように振る舞います。軽くて小さなクリップなら、この力に支えられて水面に乗ることができます。米国環境保護庁（EPA）やアイオワ大学も、針やクリップを静かに置いて浮かせる実験を紹介しています。
浮いているクリップの周りで、水面はどうなっている？
浮いたクリップを横からよく見ると、金属に沿って水面が少しへこんでいることがあります。水面はまっすぐな板のように支えているのではなく、金属の重さを受けて曲がっています。
水面がへこんだ部分には、表面張力によって金属を持ち上げる向きの力が働きます。水に浸かった部分を水が押し上げる「浮力」も多少はありますが、細い針や小さなクリップを水面に保つうえでは、表面張力が大切な役割を果たします。
NGKサイエンスサイトでは、針金で作ったアメンボを水面に浮かべる実験を紹介しています。足の周囲に小さなくぼみができ、表面張力が重さを支えるという点で、クリップが浮く現象と共通しています。
家でクリップを浮かべる手順
初めて試すなら、先のとがった針よりも小さな金属製のゼムクリップが扱いやすいでしょう。用意する物は、きれいな浅い器、水、乾いたクリップ、フォークかピンセットです。
- 器をよくすすぎ、洗剤が残っていないことを確かめます。水を入れ、波がおさまるまで待ちます。
- 乾いた小さなクリップを、フォークの先やピンセットで水平に支えます。
- 水面を揺らさないように、クリップをゆっくり下ろします。水面に触れたら道具を静かに外します。
- クリップがとどまったら、横から水面のへこみを観察します。器を動かさず、少し離れた位置から見ると分かりやすくなります。
クリップがうまく乗らないときは、小さく切った紙タオルを水面に浮かべ、その上にクリップを置く方法もあります。紙が十分に水を吸って沈んだあと、クリップだけが水面に残ることがあります。この方法はカナダのサイモンフレーザー大学でも紹介されています。
すぐ沈んでしまうときに確かめたいこと
同じクリップでも、水面の状態と置き方によって結果が変わります。
- 上から落としていないか：落とす勢いで水面が破られると、クリップは水中へ入って沈みます。水面にそっと載せてください。
- クリップや道具がぬれていないか：一度沈んだクリップを使う場合は水気を拭き取り、静かに置き直します。
- 器に洗剤が残っていないか：洗剤は表面張力を弱めます。器をよくすすぎ、新しい水で試しましょう。
- 大きすぎたり、傾いていたりしないか：小さなクリップを水平に置く方が試しやすくなります。重さや形によっては浮かない物もあります。
裁縫針でも同じ現象を見られますが、針先でけがをするおそれがあるため、子どもの実験にはクリップをおすすめします。針を使う場合は大人が扱い、使い終わったら必ず本数を確認してください。
食器用洗剤を加えると、なぜ沈みやすくなるの？
クリップが浮いたら、洗剤を加えるとどうなるかも観察できます。アイオワ大学の実験では、つまようじの先に液体の食器用洗剤を少し付け、クリップから離れた水面にそっと触れさせます。
食器用洗剤には、水の表面張力を弱める成分が入っています。水面で金属を支えていた力が小さくなるため、クリップは沈みやすくなります。水中に入ったクリップは、金属そのものが水より密度の高い物質なので、底へ沈みます。
洗剤を使ったあとは、その水で何度も浮かせようとするより、器を洗って水を入れ替えた方が確かめやすくなります。洗剤が少なすぎる場合や、水面の状態によっては、すぐに沈まないこともあります。