水滴はなぜ丸くなる？表面張力のしくみ
水滴が丸くなるのは、水の表面に「表面張力（ひょうめんちょうりょく）」という、表面の広さをできるだけ小さくしようとする力が働くからです。同じ量の水を包む形のうち、表面積が最も小さいのは球です。そのため、空中で自由に浮いた水は、ボールのような丸い形になります。
ただし、葉っぱやガラスの上の水滴は、下が平らな丸い山のような形になることも、薄く広がることもあります。これは、水が触れる物の性質や水滴の重さも、形に関係するためです。
水の表面には、なぜ縮もうとする力が働くの？
水は「水分子」という小さな粒が集まってできています。水分子同士には、お互いに引き合う性質があります。
水の内側にある分子は、周りをほかの水分子に囲まれています。一方、表面にある分子は、空気と接している側には水の仲間がいません。そのため、水全体としては、空気と触れる表面をなるべく小さくした方が落ち着いた状態になります。
この表面を縮めようとする働きが表面張力です。雨上がりの葉に小さな水玉ができたり、蛇口から落ちる水が粒になったりするのは、この力が関係しています。水の表面が薄い膜のように見えることもありますが、別の皮が付いているわけではありません。
なぜ四角ではなく、球の形になるの？
水滴は、できるだけ表面を小さくしながら、同じ量の水をまとめようとします。立方体や細長い形に比べて、球は同じ体積で表面積が最も小さい立体です。角も端もない球の形なら、表面を広くせずに水を包めます。
宇宙船内のように重力の影響が非常に小さい環境では、水の塊が空中に浮かび、表面張力によって球に近い形を作ります。JAXAも、浮いた水が球状になる理由を「同じ体積で表面積が最も小さい形だから」と説明しています。
地上でも、空気中にあるごく小さな水滴は球に近い形になれます。ただし、地面や葉の上では接している面があり、重さも働くので、完全な球になるとは限りません。
葉っぱでは丸いのに、ガラスでは広がるのはなぜ？
水滴の形を決めるのは表面張力だけではありません。水と触れている物が、どれくらい水になじむかも関係します。これを「ぬれやすさ」といいます。
- 水をはじく面：フッ素樹脂加工された物やハスの葉などでは、水は広がりにくく、こんもりとした玉になりやすくなります。水をはじく性質を「撥水（はっすい）」といいます。
- 水になじむ面：よく洗ったガラスなどでは、水が面に沿って広がり、水滴は低く平たい形になりやすくなります。この性質を「親水（しんすい）」といいます。
例えば、雨上がりにハスの葉の上を転がる水玉は、葉が水を強くはじくため丸く見えます。一方、きれいなガラス板の水は、表面に広がりやすくなります。名古屋市科学館では、この二つの違いを水滴の形で比べる展示を紹介しています。
同じ材質でも、表面の汚れや加工によって水の広がり方が変わることがあります。水滴が丸いかどうかを見るときは、下にある物の表面にも注目すると違いが分かります。
大きな水滴や雨粒も、いつも丸いの？
小さな水滴は、重さの影響が比較的小さく、表面張力で丸い形を保ちやすくなります。大きな水滴では水自身の重さが無視できなくなるため、机や葉の上では下側がつぶれ、横に広がりやすくなります。
空から落ちる雨粒にも違いがあります。小さな雨粒はほぼ球形ですが、大きくなると落下中に下から受ける空気の力で平たくなります。アメリカ地質調査所は、大きな雨粒を丸いパンのような形に例えています。雨を絵で描くときの先のとがった「涙形」と、実際の落下中の雨粒の形は違うのです。
家にある物で水滴の形を比べる方法
水をはじく面と、水が広がりやすい面を比べると、表面張力とぬれやすさの違いを身近に確かめられます。用意するのは、水、スポイトか小さなスプーン、よく洗ったガラス皿、フッ素樹脂加工のフライパンです。フライパンは火にかけず、十分に冷えた状態で使います。
- ガラス皿とフライパンを水平で安定した場所に置きます。
- スポイトなどで、それぞれに同じくらいの大きさの水滴を一滴ずつ落とします。
- 真上だけでなく、横から水滴の高さと広がり方を見比べます。
- 少し大きな水滴も作り、小さな水滴と形の違いを確かめます。
フライパンの上では水が丸く盛り上がりやすく、ガラス皿では低く広がりやすいことが分かります。結果は表面の加工や汚れでも変わるため、必ず同じ形になるとは限りません。実験が終わったら水を拭き取ってください。