コップに水をいっぱい入れても少し盛り上がるのはなぜ？
コップに水をふちまで入れても、すぐにこぼれず、水面が少し丸く盛り上がることがあります。これは、水の表面に「表面張力（ひょうめんちょうりょく）」という力が働き、水面をまとまった形に保とうとするためです。
水はふちから少し高くなっても、表面張力が働いている間は、ゆるやかな山のような形を保てます。ただし、どこまでも盛り上がるわけではありません。さらに水を足すと、やがて重さなどに耐えられなくなり、あふれ出します。
水面をまとまった形に保つ「表面張力」とは？
水は「水分子」という、とても小さな粒が集まってできています。水分子同士には、互いに引き合う性質があります。水の内部にある分子は周りの水分子から引っ張られていますが、水面の分子には上側に水の仲間がいません。
そのため、水は空気と接する表面の広さをなるべく小さくしようとします。この性質を表面張力といいます。水面が引っ張られた薄い膜のようにふるまうのも、この力によるものです。実際に別の皮ができているわけではありません。
表面張力は、葉の上で水滴が丸くなったり、コップの水面が盛り上がったりする身近な現象に関係しています。
なぜコップのふちより高くなっても、すぐにはこぼれないの？
コップの水がまだ少ないときは、中央の水面はおおむね平らです。水を足してふちまで達すると、さらに加えた水によって、今度は水面全体が上へふくらみ始めます。
盛り上がった部分の水は下へ流れようとしますが、空気に接している水面では表面張力が働き、曲がった面を保とうとします。コップのふちで水面がつながっていることも、このふくらんだ形を保つうえで大切です。
横から見ると、水面はコップのふちを結ぶ高さよりも中央が高く、丸い丘のようになります。水を少し足しただけであれば、表面張力などの働きと水の重さがつり合い、すぐにはこぼれません。
この現象は、単に「コップにまだ余裕がある」から起こるのではありません。コップのふちより上に水があっても、水面そのものが形を保っているのです。
水はどこまで盛り上がる？あふれるタイミングは？
水を一滴ずつ足すと、盛り上がりは少しずつ大きくなります。しかし、水の重さが増えるにつれ、その形を保つことが難しくなります。限界を超えると水面の形が崩れ、ふちから水が流れ出します。
何滴まで足せるかは、すべてのコップで同じではありません。スポイトの一滴の大きさや、コップの口の広さ・ふちの形、ふちのぬれ具合、水に混ざったものなどで結果が変わります。
水面が盛り上がっている状態では、コップを揺らしたり傾けたりするとこぼれやすくなります。飲み物を運ぶときには、実験のようにふちまで満たさず、余裕を残して注ぎましょう。
コップの水面が盛り上がる様子を確かめる方法
家でも、水を少しずつ足して横から見ると、表面張力の働きを観察できます。用意するのは、透明なコップ、水、スポイト（なければ小さじ）、水を受けるトレー、拭き取り用の布です。
- 水平で安定したテーブルにトレーを置き、その上にコップを置きます。
- 水をコップのふちの近くまで注ぎます。ここからはスポイトで一滴ずつゆっくり足します。
- 目の高さを水面に合わせ、コップのふちより水が少し高くなっているか横から確かめます。
- さらに一滴ずつ加えて、盛り上がりの形がどう変わるか、こぼれるまで観察します。
どのくらい足したらこぼれたかを記録すると、次に違うコップで試したときに比べられます。NHKエデュケーショナルでは、コップにビー玉を加えて、水面がふちより盛り上がる様子を観察する遊びも紹介しています。物を入れるときは、はねないようゆっくり入れることが大切です。
こぼれた水はすぐに拭き、電気製品の近くでは実験しないでください。割れにくいコップを使うと、小さな子どもとも観察しやすくなります。
洗剤が混ざると盛り上がり方が変わるのはなぜ？
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。そのため、洗剤が混ざった水は、真水よりも大きな盛り上がりを保ちにくくなることがあります。
アメリカの理科教育団体NSTAは、洗剤を混ぜた水と真水をそれぞれコップのふちまで入れ、小さな硬貨を加えて、あふれるまでの違いを比べる実験を紹介しています。洗剤が入った方は、少ない数でもあふれやすくなるというものです。
比較する場合は、洗剤を混ぜたコップと真水のコップを別々に用意し、同じくらいの量ずつ加えて違いを見ます。洗剤を入れた実験用の水は飲まず、使用後のコップはよく洗ってください。