おもしろ実験と自由研究「踊るセメダイン」

先日、テレビを見ていたら「セメダインＣを水の上にたらすと･･･踊る」「へぇ～!!」っていう、面白そうな実験をやっていましたので、早速私もやってみることにしました。セメダインＣを1滴、プラスチックカップの水にたらします。下手なたらし方ですが、それでも確かに踊っています。そのときのテレビの説明では、「セメダインＣに含まれるアルコール分が水に溶けると、浮いている物に四方からかかっている力のバランスが崩れ動き出します。この現象が連続的に起こってるため、不規則に回転し、アルコール分がなくなるまで踊り続けるのです。」ということでした。セメダインＣのアルコール分が水の表面張力を弱めながら踊り続けているといった感じでしょうか？では、水の表面張力ってなぜ起きるのでしょう？図のように、水の中にある分子は、その周囲の分子同士、互いに結びついています。しかし表面の分子は上に分子がないので、不安定な状態になっています。この不安定な状態を改善しようとして、空気と接したところは球形になろうとします。なぜなら、同じ体積の水なら　　　　球形が一番表面積が少ないからです。　　重力のない宇宙では、　　　　　　　　水は球形になって宙に浮くらしいです。表面張力の単位は mN/m（ミリニュートン/メートル）で、なんと単位面積あたりの力ではなく、長さあたりの力なんですね。分子・分母に m をかけると、mN・m/m2 　になります。 N・m は J（ジュール）でエネルギーになりますから、単位面積あたりのエネルギーとなります。水の表面は、内部に比べて過剰エネルギーがあって、その過剰エネルギーをなるべく少なくしようとして球形になろうとし表面張力が起きるのですがその過剰エネルギーが表面張力の強さになっているのですね。水銀は金属結合ではるかに高く、水は水素結合で他のアルコール系等に比べるとかなり高くなっていますね。「各種液体の20℃の表面張力」となっているのは、温度が高くなると分子の運動が活発になり、表面張力は低くなるからです。また、食塩水などの場合、その濃度は表面付近では溶液内部より小さくなり、表面張力は増加するそうです。濃度によって違いますが、水が72.75mN/mに対して、72.9～76.0mN/mくらいのようです。ではでは、今回、セメダインが踊った理由をもう一度考えてみると、水の表面張力が、72.75mN/mですね。そこに、セメダインを入れました。セメダインのアルコール分の表面張力を、20～30mN/mくらいと考えて、水の表面張力よりもアルコールの表面張力が小さいので、水とアルコール分が接したところはその部分の表面張力が下がり、水の方に引き付けられます。セメダインは、全般にわたりアルコールを含んでいるわけですから、この現象が連続的に繰り返されて、不規則に回転しながら、アルコール分がなくなるまで踊り続けるのですね！ ※左の図は１部だけでの説明ですが、全体で起きています。あれ？表面張力が低くなった方へ動くんじゃないの？水の表面張力は、なるべく表面積を少なくしようとしています。ところがアルコールの影響で表面張力が下がると、その部分の水の表面積は増加するので、表面張力の高い方に動くのですね。洗剤には界面活性剤が多く含まれていてその界面活性剤の影響で、水の表面張力を下げます。今回、洗剤がストローから水に流れ出して、水の表面張力を下げながら走っています。水の表面張力は、なるべく面積を小さくしようと頑張ってましたが、洗剤が流れてきたことで、表面張力が下がって、その部分の表面積は大きくなり、　　　　　　　　　　　　　　　　　　それに流されるように、舟は前に進んで行くのですね。あれ？？でもでも・・・洗剤の方が水より表面張力が小さいのに、なんでシャボン玉が出来ちゃうの？　　　　　　　　　　　この実験は、また別の機会にね。「智恵の楽しい実験教室」「智恵の楽しい実験教室各号の紹介」「おもしろ実験と自由研究」「色の3原色と光の3原色」　　　光の3原色(加色混合)と色の3原色(減色混合)の違いをシュミレーションしながら計算方法まで解説しています。「プラコプターを飛ばそう！」　　　簡単に出来て、子供たちも飛ばすことに夢中になる実験です。「行ったり来たり」　　　ゴムの弾力エネルギーを運動エネルギーに変換。振り子も位置エネルギーを運動エネルギーへ。何だか似てますね。「フランクリンモーター改良版」　　　静電気で回る、フランクリンモーター。送電線の絶縁効果を高めたので、よくまわります。「踊るセメダイン」　　　表面張力に注目し、わかりやすく解説をしています。「ファラデーの電磁回転」　　　世界初の電磁力で動くモーターの作り方と原理、ファラデーの功績を紹介。「ファラデーの電磁誘導」　　　1831年にファラデーが発明した電磁誘導の説明と実験を紹介。「電磁調理器を使ってUFOを飛ばそう!」　　　電磁誘導を利用して加熱する仕組みの電磁調理器を使って、アルミホイルを浮かせます。「ピカピカモーター」　　　1.5vの乾電池1個では点灯しないはずの発光ダイオードが電池1個でクルクル回転しながら点灯します。「モーター発電＆逆起電力」　　　モーターは発電機と同じ構造をしていること、モーター回転しているときには逆起電力が発生する仕組みがわかります。ヘンリーの功績も紹介。「単極モーター」　　　「単極モーター」は電池、くぎ、磁石、導線があれば、簡単に出来ておもしろいほど回ります。回る原理はくぎからの漏れ磁束が起因してると考えます。フェライト磁石とネオジム磁石の特徴も解説。「ミニ掃除機」　　　ミニ掃除機は簡単な工作で作れます。応用版として自動掃除機にも挑戦！「イライラ棒」　　　「イライラ棒」は回路を２回路にしたことで、電極棒がコースから離れてもライトが点灯し続けます。「電気ブランコ」　　　「電気ブランコ」はフレミング左手の法則を利用してゆらゆら揺れます。スイッチを工夫したことで電池が持続する限り揺れ続けます。「イライラ棒」　　　「イライラ棒2」はリレーを使って自己保持回路を作ることで、電極棒がコースから離れてもブザーが鳴り続けます。最も簡単な自己保持回路の説明を動画でわかりやすく解説しています。「風船紙コプター」　　　「風船紙コプター」は風船から出る空気の圧力を利用して、回転しながら上昇をします。「温風かざぐるま」　　　「温風かざぐるま」は対流を利用してクルクル回ります。「くるくる糸」　　　「くるくる糸」はベルヌーイの定理（流速の速いところでは気圧が下がること）を利用して糸がクルクル回ります。「アイスキャンデー」　　　「アイスキャンデー」は氷と塩を使ってマイナス20℃の状態を作り、ジュースを凍らせます。凝固点降下の説明もあります。「不思議なペットボトル」　　　「不思議なペットボトル」は水を少し入れただけでどんどんお水が出てきます。大気圧と水圧に注目して考察してみました。「ファラデーの電磁回転左側の装置」　　　「ファラデーの電磁回転左側の装置」1821年にファラデーが作った世界初のモーターの実験装置の左側の装置の回転方向を検証します。「電気分解と燃料電池」　　　「電気分解と燃料電池」は水に食塩を入れて電気分解を行い、その後電気分解で発生した気体（水素と塩素）を使ってモーターを回したり発光ダイオードを点灯させます。「ガウス加速器」　　　「ガウス加速器」は磁界に置かれた鋼球(パチンコ玉)がポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)を持ち、それを運動エネルギーに変換しながら速度を上昇させていきます。「くるくるマグネット」　　　「くるくるマグネット」は磁石2個の間にCDをはさみ、下側の磁石を斜めにした状態で移動させると、上の磁石がクルクル回転します。上の磁石にマスコットを乗せて簡単なおもちゃを工作します。「コヒーラ」　　　「コヒーラ」は圧電素子を押して高電圧による火花放電で電磁波を発生させ、その電磁波でアルミホイルの酸化皮膜を破り、モーターを通電状態にします。