パブリックドメイン古書『水滴の姿と挙動』（1911）を、ブラウザ付帯で手続き無用なグーグル翻訳機能を使って訳してみた。

　原題は『Liquid Drops and Globules, Their Formation and Movements』、著者は Charles R. Darling です。
　例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼。
　図版は省略しました。索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
　以下、本篇。（ノー・チェックです）

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「液滴と球状粒子、その形成と運動」開始 ***
液滴と液球
同じ著者による作品。

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高温測定

測定に関する実践的論文
高温の。
図版60点収録、xii + 200ページ。
クラウン判、8vo判、布装（1911年）。

価格は5ルピー（税抜）です。
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エンジニアのための熱

熱に関する論考、特に
その実用的応用について。
改訂第2版、イラスト110点収録
xiv + 430ページ。ドゥミ著、8vo判、布装（1912年）。

価格：12/6（税抜）
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E. & FN SPON, Ltd.、57 Haymarket、ロンドン、SW
液体滴と
球状体
彼らの形成と動き
3回の講義を実施
一般視聴者向け
による
チャールズ・R・ダーリング
アイルランド王立科学大学準会員、英国王立科学研究所フェロー
化学博士、物理学会会員等、講師
シティ・アンド・ギルズ・オブ・ロンドンで物理学を専攻
フィンズベリー技術専門学校

43点のイラスト入り

[EFNS]
ロンドン
E. & FN SPON, LIMITED、57 HAYMARKET
ニューヨーク
スポン＆チェンバレン、リバティストリート123番地

1914
コンテンツ
ページ
図版一覧 . . . . . . . vii
序文 . . . . . . . . . ix
講義1
はじめに . . . . . . . . . 1
液体の一般性質 . . . . . . 2
水の表面層の特性 . . . . 3
その他の液体の弾力性のある表面 – 最低温度計…5
2つの液体の境界面. . . . . . 6
引き伸ばされた表面の面積. . . . . . . 7
分離した液体の塊の形状 . . . . . 8
真の球状液体の生成. . . . . 10
遠心鏡. . . . . . . . 14
オルトトルイジン球体に対する温度の影響…15
等密度のその他の例 . . . . . . 17
アニリンフィルムまたはスキン . . . . . . . 19
表面張力 . . . . . . . . 21
「ダイビング」ドロップ . . . . . . . . 22
液滴の落下形成 . . . . . 24
上昇または逆降下 . . . . . . 31
講義II
自動アニリン滴下装置 . . . . . . . 33
その他の液体の自動滴下. . . . . . 37
液体ジェット . . . . . . . . . 38
液柱 . . . . . . . . 40
通信ドロップ. . . . . . . . 44
蒸気と液体の複合滴 . . . . . 47
蒸気からの液滴の凝縮 . . . . . 49
液体媒体中の液体雲 . . . . . . 54
過熱ドロップ . . . . . . . . 55
高温表面上の浮遊液滴 . . . . . . 57
講義3
水面への油の拡散 …60
溶解度による移動 . . . . . . 63
水面上のアニリン小球の動き …63
オルトトルイジンおよびキシリジン1-3-4の水面上での動き 66
フィルムからの球状粒子の生成 . . . . . 68
映画から形成されたネットワーク . . . . . . 70
キノリン環 . . . . . . . . 71
膨張する球状体 . . . . . . . . 71
浮遊球状粒子間の引力 . . . . . 73
表面張力現象と生命との類似性 …75
結論 . . . . . . . . . 76
付録
液滴実験に必要な装置と材料
そして小球体 . . . . . . . . 78
索引 . . . . . . . . . . 81
図版一覧
図ページ

水面に浮かぶ銀の板 . . . . . 4
最低温度計の列と指標 …6
金色のシロップの糸が上昇し、滴となる。8
平らな皿の上に置かれた様々な大きさの液滴。10
オルトトルイジン球の形成 …12
水中に浮かぶ分離した球体 . . . . 13
遠心鏡 . . . . . . . 14
アニリンの滴が冷水を通過して上昇する
熱湯を通して ……17
アニリンの皮膜が水を包み込む ……20
10、11、12。「飛び降り」落下。3段階 …23
液滴を上昇または下降させるための装置 27
14-20. オルトトルイジンの液滴の形成、
液滴。7つの段階 ……29-31
21、22. 自動的に形成されたアニリン滴は、
首部からの液滴形成 …34、35
23-25. オルトトルイジンのジェットを水中で噴射する。39
管と板の間に張られた水 …40
27-30. 添加によって上方に伸びた液柱
破断するまで水が流れる。4段階 …43
水中のアセト酢酸エーテルの柱 …44
液滴を伝達するための装置 . . . . 45
蒸気と液体の混合液滴 . . . . 49
ホットプレート上の水の球体 . . . . 58
浮遊する球状物体に作用する力 . . . . 61
水面上のアニリン球状粒子 . . . . 64
水面上のオルトトルイジン球状粒子 …66
浮遊する皮膚片の球状体への分解 …68
タール油の膜から形成されたネットワーク . . . . 70
キノリン環と穿孔板 . . . . 71
膨張する球状体 . . . . . . 72
「貪食する」球状体。5つの段階 …74
ある球状体が別の球状体を吸収している写真 …75
序文
本書の目的は、液滴や液球に関連する数々の興味深い現象を、体系的にまとめた形で提示することである。本書の内容の多くは、著者が過去4年間に考案した実験に関するものであり、その実験結果は『Proceedings of the Physical Society』誌、『 Nature 』誌、『Knowledge』誌、その他様々な媒体に掲載されている。これらの実験は、王立協会や王立研究所の会合、そして著者の講演において紹介され、大きな反響を呼んだため、本書の刊行に至った。なお、本書で紹介する実験は、特別な操作技術を必要とせず、知的な読者であれば誰でもわずかな費用で再現できるものである。

本書は、著者が様々な場所でこの主題について行った講義の形式を維持しており、その提示方法は、この分野の科学の訓練を受けていない人でも理解できるようなものである。さらに、本書が、理科の教師や液体の性質に関心のある方々にとって、何らかの役に立つことを願います。

本書で使用されているイラストの多くは、著者の論文に関連して『ナレッジ』誌に掲載されたものであり、編集者の許可を得てここに転載しています。その他のイラストはW・ナーベス氏より提供いただいたものであり、著者は同氏に感謝の意を表します。

チャールズ・R・ダーリング
シティ・アンド・ギルズ・テクニカルカレッジ
フィンズベリー、1914年。
液滴と液球
講義1

序論。――科学的な論考の主題を選ぶにあたり、一滴の液体ほど身近なものを見つけるのは難しいだろう。一見すると、そのような主題だけでは、詳細な観察を行うのに十分な材料を提供しないように見えるかもしれない。しかし、一滴の液体を詳しく研究すると、多くの興味深い現象が明らかになり、非常に奥深い問題が浮かび上がってくる。一滴の液体は自然界で最もありふれたものの1つであると同時に、最も驚くべきものの1つでもあるのだ。

動物や植物の生命活動に伴う液体を除けば、地球上に豊富に存在する液体は水と石油の2種類だけであり、石油は植物の遺骸から生成された可能性が非常に高い。テレピン油、アルコール、オリーブ油、ヒマシ油、そして私たちがよく知っている数多くの植物油など、多くの液体は生物によって生成される。しかし、これらに加えて、化学者の実験室で生成される液体も多く、その多くは極めて重要である。例えば、硝酸、硫酸、アニリンなどである。化学科学の進歩利用可能な液体の種類は大幅に増加しており、我々の実験では、化学者の技術によって生み出されたこれらの液体を頻繁に利用するだろう。なぜなら、それらはしばしば、より一般的な液体には通常見られない特性を持っているからである。

液体の一般的な性質。—基礎となる原理を理解しなければ、いかなる科学的研究も有益なものにはなり得ません。したがって、まず最初に、起源を問わずすべての液体が持つ特定の性質について言及する必要があります。液体の最も顕著な特徴は、流動性、すなわち構成要素の自由な動きです。この性質のおかげで、液体は容器に入れられると、側面に達するまであらゆる方向に流れます。また、この同じ自由な動きによって、丘に集まった水は重力によって低地へと流れ、最終的には海へと流れ込みます。インクのような濃い色の液体を少量、大量の水に垂らし、短時間かき混ぜると、粒子の自由な動きによって異なる部分が容易に混ざり合うため、色が水全体に均一に分布します。この流動性という性質が、液体を固体と区別するものです。固体は自身の形状を維持し、その個々の構成要素を自由に混ぜ合わせることはできません。しかし、流動性はすべての液体が同じように持っているわけではありません。たとえば、ガソリンは水よりも流動性が高く、水はグリセリンや糖蜜よりも流動性が高いです。また、物質によっては、固体と液体の中間の性質を示すものもあります。たとえば、暑い時期のバターなどがそうです。ここでは、しかし、これらの境界的な物質については、ここでは明確に定義された液体に限定して考察する。

しかし、すべての液体に共通するもう一つの特徴があり、これは私たちの主題に非常に重要な意味を持ちます。すべての液体は独自の境界面を形成することができ、この境界面は引き伸ばされた弾性膜の性質を持っています。この点で、液体は気体や蒸気とは異なります。気体や蒸気は常に容器を完全に満たします。蒸気やガスを半分だけ入れたボトルは存在しません。既に存在する半分を取り出すと、残りの半分はすぐに膨張してボトル全体に均等に広がり、ボトルは常に満たされます。しかし、液体は容器の上部に独自の境界を形成するため、容器に任意の高さまで注ぐことができます。それでは、最も一般的で、多くの点で最も注目すべき液体である水を入れた皿を取り、上面の性質をいくつか調べてみましょう。

水の表面層の性質。—ここに薄い銀の平らな板があります。体積比で水の10.5倍の重さなので、水面に置けば沈むと予想されます。綿を使ってゆっくりと水面に浮かべ、ちょうど水面に達したところで綿を放します。すると、銀の板は沈むどころか水面に浮かびます。さらに、ある程度の圧力を加えても水底に沈むことはありません。圧力を交互に加えたり緩めたりすることで、銀の板をコルクのように上下に揺らすことができます。よく見ると、銀の下の水面が他の表面よりも低い位置にあることに注目してください。こうしてできたくぼみは、浮いている銀板の端に見えます（図1）。ここでさらに圧力を加えると、銀板は表面を突き破り、容器の底に急速に沈みます。あるいは、代わりにシリング硬貨のような厚い銀板を水面に置くと、これは浮かばず、すぐに沈みます。これらの結果はすべて、水の表面層が非常に薄い弾性シートの性質を持っているという仮説と一致しています。もし、薄い銀板の重みでくぼみができるだけで、さらに圧力を加えたり、より重いシートの重みで破断するような、極めて薄いゴムシートを伸ばすことができれば、水面の状態が再現されるでしょう。ついでに述べておくと、水面に浮かぶ金属板は、鉄製の船や中空の金属製容器が水面に浮かぶ現象とは全く異なる。後者は、自身の重量と同じ量の水を押し出すまで沈んでいくからである。

図1．水面に浮かぶ銀板。
これで、水生甲虫が足を濡らしたり沈んだりする危険を冒すことなく池の水面を走ることができる理由が理解できます。脚に圧力をかけると表面にへこみができますが、どの脚にも皮膚を突き破るほどの圧力はかかりません。鉛筆の先を水面にそっと近づけるとへこみができますが、皮膚は実際には貫通しません。鉛筆を抜くと、へこみはすぐに消えます。これは、ゴムシートに指を押し込んだ跡が、指を抜くとすぐに平らになるのと同じです。

他の液体の弾性膜 ― 最低温度計 ―表面に弾性膜が存在するのは水に限らず、すべての液体に共通する性質です。膜の強度は液体によって異なり、ほとんどの液体はこの点において水に劣ります。例えば、石油の表面は、水の表面が容易に支えられる重さで破れてしまいます。しかし、自由な液体の表面があるところには必ず境界にこの弾性層が存在し、ここではランタン投影を用いて、この層の存在を利用した例を示します。スクリーンには最低温度計のステムが映し出されています。これは、一定期間内に達成された最低温度を示すための温度計です。この装置に使用されている液体はアルコールで、カラムの先端が湾曲しているのがわかります（図2）。カラムの先端に接触しているのは、先端が丸みを帯びた薄い色のガラス片で、ステムに緩くはめ込まれており、指標として機能します。温度計の球部を温めると、目盛りの先端が前に移動しますが、丸いインデックスは変わりません。アルコールが自由に流れることができるため、その位置は変わりません。ステムを傾けると、インデックスはカラムの端まで滑りますが、その丸い先端は表面の弾力性のある膜を貫通しません。次に、球部に冷水を注ぐと、アルコールが収縮し、その結果、カラムの端が球部に向かって移動します。その際、表面を貫通しようとするインデックスの抵抗に遭遇しますが、弾力性のある膜は多少平らになりますが、貫通せず、インデックスを前方に押し出すのに十分な強度があることがわかります。こうしてインデックスは球部に向かって移動し、その位置はカラムの端が到達した最低点、つまり最低温度を示します。当然のことながら、この種の温度計は、インデックスが自重で落下するのを防ぐために水平に取り付ける必要があります。

図2．最低温度計の列と指標。
2つの液体の境界面。—これまで、空気、あるいはアルコール温度計の場合は蒸気によって境界付けられた表面について考えてきました。しかし、2つの液体が混ざり合わない限り、一方の液体の表面がもう一方の液体によって境界付けられることもあります。例えば、水の上に石油を注ぐと、水面が浮いている油と接触します。ここで、銀箔を石油に通し、水面まで到達させると、弾力性のある膜が依然としてその重量を支えることができることがわかります。つまり、弾力性のある層は2つの液体の境界に存在することがわかります。この点に関して水と油に当てはまることは、混ざり合わない2つの液体の境界または界面にも当てはまります。明らかに、2つの液体が混ざり合うと、それらの間に明確な境界は存在しなくなります。これは、例えば水とアルコールの場合に当てはまります。

伸張された表面の面積。—ここでは、液体の表面のこの驚くべき性質を生み出す力の性質については議論しませんが、その効果の1つを考察します。すべての伸張された膜の場合と同様に、表面積を最小に縮小する傾向があります。伸張されたゴムの円盤を取り、その上に重りを置くと、凹みが生じて表面積が増加します。しかし、重りを取り除くと、円盤はすぐに平らになり、表面は元の最小寸法に戻ります。実際には、液体の表面は、反対の力が働くため、最小の面積に達することがしばしば妨げられますが、傾向は常に明らかであり、反対の力が存在しないか釣り合っている場合、表面は常に最小サイズになります。簡単な実験でこの点を説明します。私はガラス棒を糖蜜または「ゴールデンシロップ」に浸し、先端に少量のシロップを付着させて引き抜きます。それから、私は棒を塗りつけた方を下にして持ち、シロップはそこから細長い円柱状にゆっくりと滴り落ちる。しかし、棒からのシロップの供給が減少したため、柱は非常に細くなり、横方向に破断し、上部が上方に縮んで小さな滴の形で棒に付着したままになります（図3）。柱が太い間は、表面層がその面積を最小寸法に縮小しようとする傾向は重力に打ち負かされていましたが、柱が細くなり、その結果重量が軽くなったため、外表面の弾性力が重力に打ち勝つほど強くなり、柱は持ち上げられ、上昇するにつれて表面積は徐々に小さくなり、その条件下で可能な最小の面積に達しました。

図3．金色のシロップの糸が上昇し、滴を形成する様子。
分離した液体の塊の形状。―ここで、棒からぶら下がっている小さなシロップの滴に少し注目してみましょう。シロップの滴は上部だけがガラスに接しており、下部は周囲の弾力性のある膜によって落下を防がれています。この膜が重さを支えているのです。これは液体で満たされた膀胱に例えることができます。この場合も、重さは容器の膜によって支えられています。さて、このシロップの滴を完全に分離できると仮定してみましょう。棒から滴下した場合、どのような形になるでしょうか？外部からの力が妨げられなければ、その表面は最小面積になることがわかっています。そのような外部からの力が存在しないか、または相殺されると仮定すると、滴の形はどうなるでしょうか？それは正確な球形になります。球は体積に対する表面積の比率が他のどの形状よりも小さいため、弾力性のある表面のみによって輪郭が決定される自由液滴は球形になります。数値例を用いて、球のこの性質を説明しましょう。それぞれ1立方フィートの容量を持つ3つの密閉容器を用意するとします。1つ目は立方体、2つ目は直径と同じ長さの円柱、3つ目は球形です。すると、表面積は次のようになります。

キューブ

……

6平方フィート。

シリンダー

……

5·86 ,, ,,

球

……

4·9 ,, ,,

そして、容器をどのような形にしても、球形が常に最小の表面積を持つことがわかるだろう。

図4．平らな皿の上に置かれた様々な大きさの液滴。
それでは、水滴が実際にどのような形をとるのかを調べてみましょう。薄いグリース層で覆われたガラス板を用意し、水がガラスに付着するのを防ぎます。そして、ピペットを使ってその上に様々な大きさの水滴を作ります。スクリーンに投影された様子がわかります（図4）。大きな水滴は上下が平らですが、側面は丸みを帯びており、ティーケーキのような形をしています。中くらいの大きさの水滴はより球形ですが、それでも水滴の痕跡が見られます。平らになるものもあれば、ごく小さなものは、目視で判断する限り球形である。明らかに、形状は大きさに依存しており、これには説明が必要である。ゴム製の風船に水を満たし、テーブルの上に置くと、中の水の重さで風船は自然に横方向に伸び、平らになる。同じ強度のゴムで作られた小さな風船は、中の水の重さが小さいため、それほど伸びない。風船が非常に小さくても、壁の強度が同じであれば、中の水の重さでは目に見える歪みは生じない。しかし、重力の影響下にある限り、最も小さな水滴でさえ真の球形にはならず、わずかに平らになることは明らかである。しかし、水滴が球形になろうとする傾向は常に存在する。

図5．オルトトルイジンの球状構造の形成。
真の球状液体の生成。―重力の影響を打ち消せば、大きな球状液体でも真の球状液体を生成することは十分に可能です。そして、これがどのように実現できるかのヒントは、空気中に浮かぶ石鹸の泡の場合を考えてみると得られます。このような泡は、空気を包む液体の膜にすぎません。しかし、同じ密度の空気に囲まれているため、泡が変形する傾向はなく、極めて薄い膜の重さがなければ、地面に落ちてしまうだろう。気泡内部の空気に対する重力による下向きの引力は、外部の空気の浮力によって釣り合っている。そのため、膜は外部からの力に妨げられることなく球形を保ち続ける。同様に、同じ密度の媒体で液滴を囲むことができれば、液滴は球形になる。明らかに、使用する媒体は液滴を構成する液体と混ざってはならない。混ざってしまうと、両者の間に境界面を確立することが不可能になるからである。プラトーは何年も前に、この方法で液体の球体を作った。彼はオリーブオイルと全く同じ密度のアルコールと水の混合物を準備し、その混合物にオリーブオイルを注入した。混合物の浮力がオイルに対する重力の影響と正確に釣り合い、球体が形成された。正確な密度のアルコールと水の混合物を準備するのは面倒な作業であり、現在ではそれを省略して、より便利な方法で真の球体を形成できる。オルトトルイジンと呼ばれる液体は、美しい赤色をしており、水とは混ざらず、温度が75°F（24°C）のとき、水と全く同じ密度になります。したがって、この温度でオルトトルイジンを水に流すと球状になるはずです。そして、クリケットボールほどの大きさ、あるいはそれ以上の大きさの球状球を作ることができない理由はありません。この実験では、ビーカーのように液滴の見た目が歪まないように、平らな側面を持つ容器を使用し、75°Fの水を容器の約3分の2まで注ぎます。次に、ピペットに 3%の食塩水溶液を水底に注ぎます。食塩水は水よりも重いため、水面下に留まり、液滴の滞留場所となります。オルトトルイジンは、コックと太い柄が付いた容器に入っており、この容器を水中に挿入し、柄の先端が塩水層の表面から約1インチ（約2.5cm）上になるようにします。コックを開けてオルトトルイジンを徐々に流し出すと、柄の先端に液体の球が成長していくのが見えます。（図5）。目盛りの付いた容器を使うことで、流れ出るオルトトルイジンの量を読み取ることができ、それによって形成された球の体積を測定できます。下部が塩溶液の層に達したら、送液チューブをゆっくりと持ち上げ、球の成長中に必要に応じてこれを繰り返します。これで100立方センチメートル、つまり約6分の1パイントが流れ出たので、球の直径は5¾センチメートル、つまり2¼インチになります。水中に放出するために、送液チューブを素早く持ち上げます。すると、水面に浮かぶ球体（図6）。もっと大きくすることもできたが、現在の球体で全ての要件を満たすだろう。

図6．水中に浮かぶ分離した球体。

図7．遠心分離機。
遠心分離器。―ここに、遠心分離器と呼ぶのにふさわしいおもちゃがあります。これは、ほぼ等しい密度の媒体中で液体が球状になる様子を簡単な方法で示してくれます。これは、ステムに取り付けられた大きなガラス球で構成されており、球の約4分の3は水で満たされ、残りの4分の1はオルトトルイジンで満たされています。この液体は室温の水よりもわずかに密度が高いため、球の底に沈んでいます。ステムを水平に持ち、最初は急激に、その後はゆっくりと回転させると、オルトトルイジンから多数の破片が分離し、それらはすぐに球状になり、球の外側付近で回転します。赤い液体の塊は球の中心に上昇し、その軸を中心に回転します（図7）。こうして、さまざまな大きさの惑星が中心の球の周りを公転する太陽系の模倣が得られます。質量、そして小惑星さえも、より大きな球体とともに常に液体本体から引き剥がされる無数の小さな球体で表されます。回転が止まると、分離した球体は沈み、しばらくするとオルトトルイジンの元の塊に合流します。したがって、この単純な装置をいつでも取り出して、周囲に自由表面を持ち、重力の影響を受けない液体の塊は自動的に球体になることを示すことができます。結局のところ、これは自由に流動する媒体で満たされた弾性のある皮膜に期待される通りのことです。

オルトトルイジンの球体に対する温度の影響。—ここで、平らな側面を持つ容器の中で水中に形成された大きな球体に戻り、重要な教訓を教えてくれる実験に注目していただきたいと思います。水面に少量の氷を置くことで、容器の中身を冷やすことができ、すぐに赤い球体が上下に平らになり、塩水層に少し沈むのがわかります。明らかに、両方の液体に影響を与えた冷却作用により、オルトトルイジンは水よりも密度が高くなっています。次に、容器を温水で囲み、中身の温度が徐々に75°Fを超えるようにします。平らになった滴が再び球形になるまで形を変え、加熱を続けると垂直方向に伸び、水よりも密度が低くなった状態で表面に上昇するのがわかります。これらの温度効果は非常に敏感であるため、75°Fの前後1度の違いでも、大きな落下の場合、球形からの明らかなずれが生じる。したがって、オルトトルイジンは温度によって水よりも重くなったり軽くなったりしますが、この事実は簡単に説明できます。オルトトルイジンは加熱すると水よりも大きく膨張し、冷却するとより大きく収縮します。膨張すると密度が低下し、収縮すると密度が増加します。これが暖かい空気が冷たい空気の中を上昇し、その逆もまた然りである理由です。さて、75°Fで密度が等しいオルトトルイジンと水が、この温度より高く加熱されたり、この温度より低く冷却されたりしたときに同じように膨張または収縮するとすれば、それらの密度は常に同じになります。しかし、オルトトルイジンは加熱すると水よりも体積が大きく増加し、冷却するとより大きく収縮するため、両方とも75°Fより高温のときは水よりも軽くなり、両方とも低温のときは水よりも重くなります。両者の密度が等しくなる温度を等密度温度と呼びます。以下に、これら2種類の液体の密度が加熱または冷却時に共通の値からどのように乖離するかを示す図をいくつか示し、我々が導き出した結論を裏付けます。

温度。

密度。

華氏

摂氏

水。

オルトトルイジン。

0.9997

1.009

0.9991

1.005

0.9982

1.001

等しい：75

0.9973

0.997

0.9957

0.992

0.9940

0.988

104

0.9923

0.983

図8．アニリン液滴が冷水中を落下し、温水中を上昇する様子。
等密度のその他の例 ―オルトトルイジンと同様に、温度によって水より重くなったり軽くなったりする液体は他にもたくさんあります。ここでは、この範疇に入る注目すべき液体アニリンについてご紹介したいと思います。アニリンは油状の液体で、特別に精製しない限り濃い赤色をしています。アニリンは、化学者の技術によって生み出された、美しく多様な着色剤であるアニリン染料の基礎となっています。水とアニリンの等密度温度は147°F（64°C）です。つまり、水とアニリンの両方の温度が147°Fより低い場合はアニリンは水に沈み、この温度を超えるとアニリンは水面に浮き上がります。この事実を、単純ながらも印象的な実験で説明しましょう。 2つの背の高いビーカーが並んでおり、その上にアニリンの入った槽があります（図8）。槽の幹は水平管の2つの枝につながっており、一方の枝の先端は一方のビーカーの上部近くにあり、もう一方の枝はもう一方のビーカーの底まで伸び、先端は上向きに曲がっています。両方の枝には液体の流れを調節するためのコックが付いており、最初はアニリンで満たされています。短い方の枝が入っているビーカーに先端が浸るまで冷水を注ぎ、もう一方のビーカーには同じ高さまで沸騰寸前の水を注ぎます。ここでコックを開けて、アニリンがそれぞれのビーカーに徐々に流れ込むようにします。すると、アニリンの滴が冷水では沈み、温水では上昇するのがわかります。このように、同じ液体が水中で同時に下降と上昇を繰り返していますが、唯一の違いは、片側の水が冷たく、もう片側の水が温かくなっていることです。送液管を温水が入ったビーカーの底まで延長することで、水柱の全長にわたって上昇する液滴を観察できます。さらに、水槽からの冷たいアニリンが出口に向かう途中で温められ、出口に出る頃にはその温度が水の温度とほぼ同じになります。この温度が147°Fを超えると、液滴は上昇します。この実験では、アニリンの代わりにオルトトルイジンを使用することもできます。あるいは、温水と冷水の中間の温度で水と同じ密度を持つ他の液体を使用することもできます。ただし、選択した液体が水と混ざらないことが条件です。そのような他の液体としては、アニソール、ブチルベンゾエート、アセト酢酸エーテルが挙げられますが、これらのいずれもアニリンやその化学的類似体であるオルトトルイジンのような美しい色を持たず、さらに高価な液体です。これら以外にも、化学者以外にはほとんど知られていない、さらに希少な液体が多数あり、同様の挙動を示します。これらの液体はすべて炭素化合物であり、多かれ少なかれ油状の性質を持っています。温度に応じて、有機液体が水よりも軽くなったり重くなったりするかどうかを予測するために使用できる簡単な規則があります。それは次のとおりです。32°Fまたは0°Cでの液体の密度が1.12を超えない場合、液体は212°Fまたは100°C未満で水よりも密度が低くなります。この温度は水が沸騰する温度です。この規則は、一般的に有機液体の膨張が水の膨張をどの程度上回るかという知識から導き出されます。等密度という主題については、ある程度詳しく述べる必要があると考えました。なぜなら、これから述べることの多くは、液体間のこの物理的関係についての知識を必要とするからです。

アニリンの膜または皮膜。―これまで、主に状況証拠から、液滴は皮膜、あるいは皮膜に相当するものに包まれていると結論づけてきましたが、ここではアニリンを用いた実験によって、液滴の皮膜からどのように液滴を形成できるかを示したいと思います。ここに、容器に入ったアニリンがあり、水で覆われています。円形のワイヤーフレームをアニリンの中に沈め、ゆっくりと上層の水の中に引き上げます。すると、フレーム全体にアニリンの膜が張ったままになっているのがわかります。フレームを水中で上下させることで皮膜が引き伸ばされ、フレームの近くで縮んだ液滴が形成されます。（図9）。ワイヤーをさらに急に持ち上げると、アニリンの膜が狭い部分で完全に閉じ、アニリンの膜に包まれた水の球がビーカー内の水の中を落下し、下のアニリンの上に静止しますが、すぐにアニリンに溶け込みます。以前、液体の滴を石鹸の泡に似ていると考えるように指示しましたが、この実験はその定義の条件を実現しています。また、別の液体の膜ではなく、自身の膜に囲まれた滴を想像するのに少しの想像力しか必要ありません。石鹸の泡を吹くのを真似て、空気の代わりに水を使うことで、このような閉じた水滴を簡単に作ることができます。これを行うために、両端が開いたガラス管を用意します。そして、それを容器の中を下へ流し、アニリンに達するまで進めます。その間に、水は容器内の高さと同じ高さまでチューブ内に入り込みます。チューブをゆっくりと持ち上げると、先端にアニリンの膜が付着します。さらにチューブを持ち上げると、容器内の高さに留まるようにチューブ内の水が沈み、膜が球状に膨張します（図9）。これは、中身の詰まった石鹸の泡に相当します。チューブを徐々に引き抜くと、複合球が水面からぶら下がった状態になります。

図9.—アニリン膜が水を包み込んでいる様子。
表面張力。―先に進む前に、「表面張力」という用語を紹介し、説明しておくと良いでしょう。私たちは、液体の自由表面が引っ張られる力を受けている、つまり張力状態にあるという事実を表すために、数値を伴わずにこの用語をよく使います。そのため、ある現象は「表面張力による」と言うのです。しかし、物理学者は単に現象を観察するだけでは満足せず、現象に関わる量を明確な単位で測定しようとします。そこで、表面張力は、長さ1センチメートルの線を挟んで両側の表面の2つの部分を互いに引き離そうとする力として定義されます。つまり、液体の表面に長さ1センチメートルの線を引いて、その線を挟んで表面を2つの部分に分け、この2つの部分を互いに引き離そうとする力を表面張力と呼ぶのです。実験によると、冷水の場合、この力は約75ダイン、つまり約8/100グラムに相当します。水面に1インチの長さの線を引くと、表面張力は約3 1/6グレインになります。表面張力の値を割り当てる際には長さを指定する必要があります。特に明記しない限り、長さは1センチメートルとみなされます。液体によって値は大きく異なります。また、特定の液体の値は、その液体を囲む媒体の性質（例えば、表面が空気と接触しているか、別の液体と接触しているか）によっても異なることに注意する必要があります。次の表は、表面が空気と接触している場合のいくつかの液体の値を示しています。

液体。

15℃（59°F）での張力、ダイン/cm。

水

アニリン

オリーブ油

クロロホルム

アルコール

液体同士が接している場合、界面張力と呼ばれる値は、一般的に空気と接している場合よりも小さくなります。例えば、水とオリーブオイルの場合、15℃における界面張力は約21ダイン/センチメートルです。

我々は今や表面張力を定量的に論じることができる立場にあり、後ほど我々が注目することになる事柄を説明するために、しばしばそうする必要が生じるだろう。

図10、11、12 ― ダイビングドロップ。3段階。
「飛び込む」滴。 ―2つの液体の境界面における張力を説明するために、この張力の作用によって滴が下向きに強制的に押し出される実験を紹介します。細長いガラス容器に水を注ぎ、その上にジメチルアニリンと呼ばれる液体を約1インチの深さの層として流します。両端が開いたガラス管を浮遊液に通して水中に沈め、徐々に引き上げると、管の端に水の膜が付着し、上層の液体によって膨らんで管の端に球状の塊が形成されます（図10）。管を上面から引き上げると、球状の塊は分離して境界面に落下し、そこで数秒間静止した後、突然水中に落下します（図11および12）。その後、球状の塊は界面まで上昇し、境界面を突き破って浮遊液と混ざり合い、その存在意義を失います。水よりも密度が低い液滴がなぜ水中に沈むのでしょうか。この現象はどのようにして起こるのでしょうか？その理由は、ジメチルアニリンで満たされた水の膜からなる液滴が、接合面にしばらく留まった後、膜の下側が剥がれ落ち、下の水に溶け込むためです。これにより、2つの液体の境界の形状が変化し、側面が液滴の上部を形成する膜と連続するようになります。これは不安定な形状であるため、境界面は通常の状態に戻り、その際に液滴が水中に沈むほどの力が加わります。液体は水よりも軽く、浮く傾向があるにもかかわらずです。この結果は、ゴムの円盤にビー玉を押し付けてから放した場合、円盤がまっすぐになるためビー玉が上方に跳ね上がるのと同じ現象です。次に、ジメチルアニリンの代わりにパラフィン油を使って実験を繰り返しましたが、この場合、液滴はわずかな深さまでしか跳ね上がらず、効果もそれほど顕著ではありませんでした。この実験は、界面張力の存在を決定的に証明するものです。

液滴の形成。—次に、最も美しい自然現象の1つである液滴の成長と分裂に注目してみましょう。ランタンを使って、ガラス管の端から滴り落ちる水の場合のこの過程を観察してみましょう。水の流れは蛇口で制御され、端の液滴が徐々に大きくなり、管の端近くで細くなり、この細くなった部分で分裂して、分離した液滴が地面に落ちるのを観察できます。次に別の液滴が成長して分裂します。しかし、その過程は非常に速いため、詳細を観察することはできません。例えば、分離後の大きな液滴の後に、主液滴が分離した狭くなった部分から小さな液滴が形成される様子を、皆さんは誰も観察できませんでした。しかし、この小さな二次液滴は常に存在しており、発見者の名にちなんでプラトー球と呼ばれています。また、分離直後の大きな液滴の上部が平らになることや、狭くなった部分の形状が変化することも、皆さんは観察できませんでした。これらのすべてを示すには、実験条件を変更する必要があります。

H・G・ウェルズ氏は短編小説の中で、彼が「加速剤」と呼ぶ、非常に強力な薬を服用した際の驚くべき効果について述べています。その効果が持続している間、あらゆる知覚が著しく加速され、通常は速く見える出来事が不自然なほど遅く見えるのです。例えば、自転車に乗っている人は、全速力で走っていてもほとんど動いていないように見え、落下する物体は静止しているように見えます。さて、もし私たちがこの驚くべき化合物を手に入れ、規定量を服用できれば、一滴の水滴が形成されて落下するまでの過程をじっくりと観察することができるでしょう。しかし、この過程を視覚的に捉えるために、このような手段に頼る必要はありません。例えば、ごくわずかな時間間隔で連続して何枚も写真を撮り、一種の動画として、個々の写真を調べることで詳細を把握することができます。しかし、この方法は面倒ですし、明らかにもし実現可能であれば、最も単純な方法は、液滴が形成されて落下するまでの時間を引き延ばすことだろう。そして、これまでの実験から、それがどのように実現できるかが示唆されている。これは、液滴が落下する際に作用する力について考察した際に明らかになるだろう。

管から流れ出る液体は重力によって下向きに引っ張られるため、常に落下しようとします。最初は、液滴が小さいときは、液体の表面張力によって重力の作用が打ち消されますが、液滴が大きくなり重量が増加するにつれて、表面張力が打ち負かされる点に達します。すると、液滴の重さによって引っ張られる力によって細くなる首部が形成され始め、最終的に破裂します。この過程をより緩やかにするには、表面張力を増やすことはできないため、重力の影響を減らす必要があります。液体球体に関して、これがどのようにできるかは既に見てきました。実際、作動液を全く同じ密度の別の液体で囲むことで、重力の影響を完全に打ち消すことができました。しかし、ここでは、液滴の下向きの引っ張りが最終的に表面張力に打ち勝つようにする必要があるため、液滴をより密度の低い液体で形成する必要があります。周囲の液体の密度がほんの少し低ければ、非常に大きな液滴を作り出すことができるはずです。そして、液滴の成長をゆっくりにすれば、形成から分離までの全過程を肉眼で観察できるでしょう。

図13．液体の上昇または下降液滴を形成するための装置。
たまたま、何の準備もせずに要求を満たす2つの液体が手元にある。75°F以下の温度でのオルトトルイジン。 24℃では、同温度の水よりも密度が高くなります。75°Fでは両者の密度は同じです。室温は通常60°Fから70°Fの間であるため、この条件下では水の方がわずかに密度が低く、オルトトルイジンの大きな液滴を作るのに適した媒体となります。そこで、蛇口で制御された漏斗（図13）からこの赤い液体を水に注ぎ込みます。大きな液滴を作るために、ステムの先端を直径1½インチに広げます。作業を始める際は、ステムの先端を水面に接触すると、最初に流れ落ちたオルトトルイジンが水面に広がり、茎の広がった端の縁に付着します。蛇口は液体がゆっくりと流れるように調整されているので、ここで液滴の形成を観察できます。最初はほぼ半球形ですが、ご覧のように徐々に細長くなり、上部付近が狭くなり始め、首部が形成されます。この首部は、下部の重みが増すにつれて引き伸ばされ、破断して大きな液滴を放出します（図14～18）。次に、液滴が続きます。大きな液滴に比べると非常に小さいですが、はっきりと見えます（図19および20 ）。液滴の形成のあらゆる段階における優美な輪郭は、形の美しさを見抜く目を持つすべての人を魅了するに違いありません。どんな芸術家も凌駕できない自由奔放な曲線は、プロセスが完了するまで絶えず変化します。

この液滴の形成はゆっくりとしたものでしたが、それでも液滴の発生源をたどるには速すぎました。それはいつものように、引き伸ばされた首の部分から発生しました。大きな液滴が切断されると、送液管に付着していた液体の塊は、下向きの力が解放されたため、上方に収縮します。この収縮の結果、表面積は可能な限り最小に縮小され、細長い首の上部が切断され、紡錘形の液体の柱が残ります。この柱は、表面張力によってすぐに収縮し、表面積が最小になるまで、つまり実質的に球形になるまで収縮します。これが液滴となります。後の実験では、形成がさらに遅く、液体の粘度が高いほど、液滴の発生源がはっきりと見え、記述の正しさが検証される。ネックが破裂した後の伸張力の解放による反動は、大きな液滴の上部と、チューブに付着したままの液体の底部の両方で確認でき、どちらも最終的な丸みを帯びた形状になる前に一時的に平らになった（図19および20）。これは、ゴムで満たされた皮膜が最も狭い部分で破断するまで伸ばされた場合に起こると予想されることと全く同じである。

図14。
先ほど使用した2種類の液体のバリエーションとして、今度は黄色の液体ニトロベンゼンを、比重1.2の硝酸（またはその他の適切な媒体）に流し込みます。すると、前の実験と全く同じ一連の現象が、細部に至るまで観察できます。非常に高速な写真撮影により、空気中のチューブの端から水滴が分離する様子が、すべて同じであることがわかります。我々が今大規模に目にしたものと全く同じ点がある。

図14～20：オルトトルイジン液滴の形成、液滴を示す。7段階。

上昇または反転した液滴。—オルトトルイジンを水に投入する際、両方の液体の温度が75°F以上であれば、オルトトルイジンの密度は水よりも低いため、オルトトルイジンは上昇します。したがって、軸を平行に曲げた漏斗を用いて上向きに液滴を放出し（図13のA ）、両方の液体の温度を75°F以上に上げると、液滴が徐々に水面に向かって上昇し、最終的に分離して液滴が生じることがわかります。実際には、落下する液滴の場合と同じで、方向が逆になっているだけです。わずかな温度上昇でプロセス全体が逆転してしまいましたが、どちらの場合も作用は実際には同じです。加熱によって水がより大きな密度を獲得すると、その浮力がオルトトルイジンにかかる重力に打ち勝ち、液滴は上方に押し上げられ、その結果は下方に引っ張られたときと同じになりました。軽い液体を重い液体に注入すると、例えばオリーブオイルを水に注入したり、水を19ページに記載されているいずれかの液体に注入したりして、等密度温度以下で常に逆さまの液滴を得ることができます。

講義II
アニリンの自動滴下。―前述の実験では、液体を注ぎ込むことで滴が分離するまで大きくなりましたが、完全に自動的に形成されるようにすることも可能です。この実験は、これから見ていくように非常に単純ですが、驚きの要素を含んでいます。沸騰寸前の水が入ったビーカーにかなりの量のアニリンを注ぎます。最初は、アニリンは多数の滴に分離します。しかし、しばらくすると、アニリンは水との接触によって等密度の温度（147°F、または64°C）よりも高い温度に温められ、すべて水面に浮かび上がります。これはまさに予想通りのことです。アニリンはしばらくの間、下部が曲線を描いた大きな塊の形でそこに留まります。しかし、すぐに、塊の中心が水中に沈み、落下する滴のよく知られた輪郭を帯びるようになります。徐々に首の部分が細くなり、分離します。しかし、アニリンは粘性のある液体なので、この場合、首の部分は長く、したがって容易に見ることができます。大きな液滴が分離してビーカーの底に落ち、分離後の液膜の反動により、上面はしばらくの間上下します。最終的に永久的に凸状になる。大きな液滴が分離した直後、上部の塊は上方に縮み、水面にさらに広がり、その結果、長い首が上部で切断され、その自重が切断を助ける。次に、分離した首が2つ以上の球体（通常は大小2つ）に分解される（図22）。そして、この実験を初めて見る人にとって、驚きが訪れる。大きな液滴は、ビーカーの底に沈んだときはほぼ平らだった液滴は、次第に丸みを帯び、最終的には球形になる。その後、自力で上昇し、表面に残ったアニリンと混ざり合う。しばらくすると、2 つ目の液滴が最初の液滴と同じように落下し、前例と同様に、この液滴も容器の底にしばらく留まった後、表面に上昇します。そして、温度を等密度状態の温度より数度高く保つ限り、分離と再結合のプロセスは無限に続きます。この作用は自動的かつ連続的であり、液滴と液滴の首部の大きさ、そしてその過程の緩やかさによって、分離液滴の形成におけるあらゆる段階を容易に観察することができます。

図21。

図21および図22。自動的に形成されたアニリン液滴。液滴がネック部から形成される様子を示している。
さて、この不思議な現象の説明に移りましょう。アニリンが水面に達して広がると、下の水よりも空気との接触によって急速に冷えます。冷えるにつれて密度が増し、やがて水の密度よりも大きくなるため、水の中に沈もうとします。表面張力によってアニリン全体が沈むことはありません。水面は一定量の液体を支えることができるからです。しかし、余分な重量は支えきれず、分離してしまいます。分離した液滴が容器の底に達すると、再び温められます。そして、温度が等密度の温度を超えると、液面へと浮き上がります。このように、上部での冷却と下部での加熱が繰り返されるため、一連の動作が連続的に行われるのです。

永久機関のことでしょうか？とあなたは思うかもしれません。しかし、それは違います。永久機関とは、エネルギーの供給なしに継続的に仕事を行うことを意味し、単に継続的な動きを意味するものではありません。蒸気機関は蒸気が供給されている限り作動し、電気モーターは電気が供給されている限り作動しますが、どちらもエネルギーの供給が途絶えると停止します。アニリン液滴は、水の熱からエネルギーを得て、温度が 147°F または 64°C を下回るとすぐに静止します。しかし、分離と再結合のプロセスを継続するためには、上部の冷却は下部の加熱と同じくらい必要です。アニリン液滴は、外部に仕事をしないものの、本質的には熱機関であり、すべての熱機関と同様に、熱を得る源と、より低い温度の熱を放出するシンクを備えています。いくつかの条件付きで、液体エンジンの指示図を作成することもできますが、それは現在の主題から大きく逸脱してしまいます。

他の液体の自動滴下。—水と等密度温度が低い液体は、表面での冷却速度が遅すぎるため、アニリンのように自動滴下しません。そのため、浮遊する液体の密度は、下の水の密度を超えることはありません。しかし、アセト酢酸エーテルは、水の温度を約 170°F (77°C) に維持すれば、アニリンのように振る舞いますが、この液体は熱水にかなり溶けやすいため、実験の進行中にさらに量を追加する必要があります。ただし、比重 1.2 の硝酸にニトロベンゼンを 59°F (15°C) で使用し、酸を 185°F (85°C) に加熱すると、アニリンで得られた結果と同じ結果が得られます。この場合、黄色の滴がアニリンと水の場合とまったく同じように交互に上昇と下降を繰り返しているのがわかります。他の例を挙げることもできます。しかし、液体と媒体の等密度温度が 125°F (52°C) では、通常、温度がこの点より 30°F (17°C) 上昇すると、自動降下現象が観察されます。

液体の噴流。―これまで、管の端でゆっくりと成長する単一の液滴の形成、または浮遊する液体の大きな塊から分離する液滴の形成を観察してきました。しかし、液体が噴出する速度を加速すると、出口で液滴が形成される時間がなく、噴流が形成されます。蛇口から噴出する水の噴流は誰もがよく知っています。それは、圧力に応じて一定の距離までは途切れることのない液体の柱ですが、下部は多数の液滴に分裂し、蛇口から一定の距離で柱から分離します。噴流には多くの注目すべき特徴がありますが、ここでは末端の液滴がどのように形成されるかだけを考察するため、それらについては議論しません。この過程を観察するには、再び、密度がわずかに低い媒体に液体を流し込むことで形成速度を遅くする方法を用いる必要があります。この目的には、室温の水にオルトトルイジンを滴下するだけで十分です。画面には、先端が水中にあるパイプの投影図が表示されており、栓をした漏斗からオルトトルイジンの噴流が垂直下向きに噴射されるようになっています。最初は蛇口を少し開けると、先端に一滴だけできます。次に蛇口を大きく開けると、出口から少し下の方で一滴が分離し、次々と新しい滴が次々と現れるのがわかります（図23）。蛇口をさらに開けると、水滴はパイプの端からさらに遠い位置で形成され、より速く次々と現れるため、一度にかなりの数の水滴が見えるようになります（図24および25）。水滴がパイプの端から離れることでどのように歪むかに注目してください。液体の流れ、そしてそれが水中を落下する過程で徐々に球形を取り戻していく様子を観察する。最後に、吐出量を増やし、末端の液滴の形成が非常に速くなり、肉眼では見えなくなるほどになるが、まるで空気中に噴出する水の噴流の先端で見られるような乱流のように見えるようにする。

図23、24、25．水中で噴射されたオルトトルイジンの噴流。

図26．管と板の間に張られた水。
液柱― 液柱とは何かを説明するには、簡単な実験で十分でしょう。ガラス管の端から水滴が垂れ下がっています。これをランタンに入れ、スクリーンに拡大像を映し出します。次に、平らなガラス板を、垂れ下がった水滴にちょうど触れるまで持ち上げます。接触するとすぐに、水はガラス板全体に広がり、水滴は中央付近で直径が縮み、その輪郭は巻き上げ機のような形になります（図26）。ガラス管の端は、湾曲した輪郭の水柱によってガラス板と繋がっており、この水柱は、動かさなければ非常に安定しています。しかし、管を徐々に持ち上げたり、ガラス板を徐々に下げたりすると、水柱の狭い部分はさらに狭くなり、最終的には途切れてしまいます。同様の方法で、他の液体の水柱も作ることができます。液体の場合、グリセリンなどの粘性液体で得られるものは水よりも大きく伸びるが、一般的な特性は同じである。したがって、液柱は実際には支えられた液滴であり、支えを下げることによって生じる分離は、垂れ下がった液滴がその重さのために分離するときに起こる分離と似ている。

これまでの実験で、特定の液体の大きな液滴を生成するには、周囲の密度をほぼ同じにして、懸濁した液体の実効重量を大幅に減らす必要があることがわかっています。したがって、同様の条件下で大きな液柱を生成できると予想できます。そして、私たちの推測は正しいです。例えば、オルトトルイジンの大きな液滴を生成した装置（図13）を浅い水層で使用することで、液滴が破断する前に下端が容器の底に接触するようにすれば、先ほどガラス板にぶら下がった水滴を接触させることで得られた結果と同じ結果を大規模に得ることができます。ただし、この方法では液柱の上部の直径が送液管の直径に制限されるため、形状が不自然になります。この問題を解決するには、液滴を水面から吊り下げることで、上部に自由度を与え、液柱がより多様な形状をとることができるようにします。この方法を示すために、スクリーンに投影されている広口試験管の丸い端に少量の水を注ぎ、次に側面からゆっくりと水を注ぎます。水よりわずかに密度が高い液体である安息香酸エチルを加えます。液体が水面に広がり、最初はほぼ半球形の垂れ下がった液滴を形成するのが観察できます。しかし、液体を加え続けると、液滴は下に向かって大きくなり、最終的にチューブの底に達します。これが、送液チューブによる制約を受けずに、独自の形で形成された液柱です（図27）。表面張力と重力の美しいバランスによって生み出された優美な曲線の輪郭に注目してください。また、水が徐々に加えられることで上面が上昇し、液柱が伸びるため、輪郭がどのように変化するかにも注目してください（図28）。中央部は次第に狭くなり（図29）、最終的に横に割れ、以前の液柱の一部が水面から垂れ下がり、残りの部分は丸みを帯びた形で（図30）、チューブの底に残ります。そして、いつものように、この分裂に伴って小さな液滴が形成されました。

図27、28、29、30。―水を加えることで破断するまで上方に伸びた液柱。4段階。
他の液体や異なる直径の容器を用いることで、様々な形状の柱状構造物を生成することが可能です。液体によっては、水面上で他の液体よりも広い面積に広がるため、頂部がより広い柱状構造物が生成されます。ここにオルトトルイジンの柱状構造物を示しますが、これは頂部直径が2インチです。一方、対照的に、アセト酢酸エーテルの柱状構造物では、表面直径はわずか1/2インチです（図31）。アニリンなどの他の液体では、中間的な結果が得られます。下部の直径は容器の幅によって決まるため、ほぼ無限に続く柱状構造物を生成することが可能です。形状の数々。ガラスや陶器の職人が無意識のうちにこれらの形状を模倣してきたことは興味深い。そして、ここには先ほどご覧いただいた液柱のいずれかの輪郭を模倣した様々な品々がある。これらの産業分野のデザイナーは、液柱の研究から有益なアイデアを得ることは、曲線形状を実際に観察するためのほぼ無限の分野を提供する。

図31．水中のアセト酢酸エーテルのカラム。
連通する液滴。—皆さんも見たことがあるかもしれませんが、2つのシャボン玉を別々のチューブに吹き込み、内部で連通させるという有名な実験があります。シャボン玉の大きさが全く同じであれば、どちらにも変化は起こりません。しかし、大きさが異なると、小さい方のシャボン玉が縮み、内部の空気を大きい方のシャボン玉に押し込み、大きい方のシャボン玉が大きくなります。最終的に、小さい方のシャボン玉は、最初に吹き込まれたチューブの端を覆う、わずかに湾曲した膜状になります。この実験から、シャボン玉の表面が内部の空気に及ぼす単位面積あたりの圧力は、大きいシャボン玉よりも小さいシャボン玉の方が大きいことが明らかです。内部圧力は気泡の半径に反比例することが証明されています。つまり、半径を半分にすると弾性表面による圧力は2倍になり、以下同様です。球の半径の逆数は曲率と呼ばれ、したがって、気泡の壁が内部に及ぼす圧力は曲率に比例すると言えます。

図32．長さの異なる延長部が取り付けられた、液滴を連通させるための装置。
液滴は弾性表面を持ち、空気の代わりに液体で満たされた石鹸の泡と実質的に同じものであることは既に見てきました。したがって、2つの液滴を石鹸の泡の場合と同様に連結した場合、同じ結果が得られると予想できます。そして、これから示すように、私たちの推論は正しいです。装置は（図32）2本の平行な管で構成され、それぞれにコックが設けられ、上部の横枝で連結されています。この横枝には、使用する液体を保持するリザーバーがあります。平行な管のほぼ中間に、コックを備えた横木が配置されています。まず、システム全体に試験対象の液体を満たし、平行な管の長さを等しくします。次に、それぞれの垂直管の端にあるコックを順番に開けて液滴を形成し、適切な量の液滴が形成されたらコックを閉じます。次に、水平な横木のコックを開けて、滴下液を接触点に垂らし、結果を観察してください。

液体としてオルトトルイジンを選び、垂直チューブの両端を水中に置くことで（室温の水はオルトトルイジンよりわずかに密度が低い）、空気中では不可能なほど大きな液滴を形成できます。スクリーンには小さな液滴と大きな液滴が投影されています。次に、クロスタップを開けて、2つの液滴が繋がるようにします。小さな液滴が縮んで、チューブの端にわずかに湾曲した突起を形成する様子に注目してください。この突起の曲率が、小さな液滴の内容物を飲み込んだ大きな液滴の曲率と等しくなったときに、小さな液滴は静止します。ここまでの結果は石鹸の泡で得られる結果と同じですが、実験を拡張して、このプロセスを逆転させ、小さな液滴が大きな液滴を吸収するようにすることができます。これを行うために、チューブの1つに延長部を取り付け、水中の深いところに小さな液滴を、上部近くの延長されていない枝に大きな液滴を形成します。連通管の蓋を開けると、システムは一種のサイフォンとなり、オルトトルイジンは長い方の管の端から流れ出ようとします。大きな液滴がサイフォンのように流れ出ようとする傾向は、小さな液滴の表面による上向きの圧力によって抑制されますが、今度は前者の圧力が優勢となり、大きな液滴は徐々に縮小し、小さな液滴は大きくなっていくのが観察されます。小さな液滴を置く深さを調整することで、この2つの傾向のバランスを取ることが可能です。つまり、小さな液滴による上向きの圧力と、それによる下向きの圧力が釣り合うように調整できるのです。柱の長さが長いため、それが終端を形成します。両方の圧力は数値的には非常に小さいですが、完全に平衡状態でない場合、液体がどちらかの方向に流れるのに十分な大きさです。空気を含み、空気に囲まれた連通する石鹸泡の場合、小さな泡を低い位置に配置しても流れの方向は反転しません。これは、わずかに密度の低い媒体で形成された液滴で達成できたことです。

図33．蒸気と液体の混合液滴。
蒸気と液滴の混合。—すべての液体は加熱されると蒸気を発し、その量は温度の上昇とともに増加します。液体が加熱される容器の下部で発生した蒸気は泡となって上昇し、液体の上部が冷たい場合は再び凝縮することがあります。しかし、液体全体が熱くなると、蒸気の泡は表面に達して破裂し、内容物が上部の空気中に放出されます。液体が沸騰する様子を見たことがある人なら誰でもこの過程を知っているでしょうが、液体は実際に沸騰しなくても大量の蒸気を発することがあるということを覚えておく必要があります。冷たい水を入れた皿は、空気に触れると徐々に蒸発しますが、ガソリンやアルコールなどの他の液体は同じ状況下で急速に蒸発するため、「揮発性」液体と呼ばれます。

蒸気の発生とその後の液面からの放出を利用することで、非常に斬新なタイプの液滴を作り出すことができます。気泡を空気中に放出させるのではなく、別の液体中に送り込むようにすれば、このような液滴ができます。例えば、ここに色のついた層があります。ビーカーの底にクロロホルム1を置き、その上に水の柱を立てます。ビーカーの画像をスクリーンに投影し、下部を加熱します。クロロホルムの蒸気は泡となって放出されますが、それぞれの泡が、分離の瞬間にいわば引きちぎられた液体を伴っていることに注目してください。蒸気泡とその液体の付属物の大きさは様々ですが、いくつかは平均密度が水とほぼ同じで、重りのついた風船のように浮かんでいるのがわかります。いくつかは水が最も冷たい表面近くまで上昇し、そこで蒸気が部分的に凝縮し、その結果、浮力が弱まり、そのため液滴はビーカーの下部に沈みます。しかし、この領域では水がより温かいため、蒸気泡は大きくなり、浮力が増して、再びその荷物を表面まで持ち上げることができるようになります。こうして複合液滴は上下に動き、最終的に表面に達すると蒸気が空気中に放出され、懸濁していた液体はビーカー底部の塊へと戻ります。各気泡に付着した液滴が垂直方向に伸びていることに注目してください。これはクロロホルムが水よりもはるかに密度の高い液体であるためです（図33）。この実験から得られる実用的な教訓があります。蒸気の泡が液体の表面を突き破ると、液体の一部を一緒に運び、機械的に上部の空間へと引きずり込む傾向があります。今回の実験では、その空間は水で満たされていたため、気泡が分離することができました。気泡が空気で覆われていた場合よりも、はるかに大きな重量が生じる。空気は水よりも浮力がはるかに小さいからである。しかし、気泡が空気中に放出される際にも、微量の液体が分離されるため、例えば沸騰したお湯から出る蒸気は、完全に液体を含まないわけではない。蒸気を利用する人は皆、この事実をよく知っている。

水蒸気からの滴の凝結 ― 霧、靄、雨滴 ―大気は滴の生成のための巨大な実験室です。大気は、海面、湖、流水、さらには雪や氷からも水蒸気の形で絶えず水を受け取っています。この水蒸気はすべて最終的に滴に変わり、再び大気に戻ります。大気は地表と水蒸気の絶え間ない交換によって成り立っており、この交換によって降水現象に関連するあらゆる現象が発生します。大気は一定量の水蒸気しか保持できず、温度が低いほど目に見えない水分を保持できる量は少なくなります。大気が完全に水蒸気で満たされた状態を「飽和状態」と呼びます。これは、少量の水を入れた栓をした瓶の中の空気が、水が蒸発して空気がそれ以上保持できなくなることで、小規模なレベルで実現されます。さまざまな温度における1立方メートルの空気が保持できる最大水蒸気量は、次の表に示されています。

温度。

1立方メートルを飽和させるのに必要な水蒸気の重量（グラム）。

摂氏

華氏

4.8

6.8

9.3

12.7

17.1

22.8

30.0

39.2

104

50.6

表からわかるように、夏の暖かい日（気温77°F）の空気は、氷点（32°F）の空気の約5倍の水分を保持できます。しかし、実際に存在する水分量は通常最大値を下回り、記録されます。気象学的目的においては、最大値に対する割合として表されます。したがって、77°F での「相対湿度」が 70 パーセントであれば、1 立方メートルの水分の重量は 22.8 グラムの 70 パーセント、つまり約 16 グラムになります。16 グラムの水分を含む 77°F の 1 立方メートルの空気を 50°F まで冷却すると、(16-9.3) = 6.7 グラムの水が分離します。これは、より低い温度での最大含有量が 9.3 グラムであるためです。降水は 66°F で始まります。この温度では、1 立方メートルは 16 グラムの水で飽和します。同様に、大気中の水分に関するあらゆる状態において、十分に冷却されると、飽和温度のすぐ下で水の沈着が始まり、その後空気が冷えるほど沈着する水の量が多くなります。この沈着が始まる温度を「露点」と呼びます。

大気中の水分が液体になると、必ず水滴が形成されます。これらの水滴の大きさは、霧を形成する小さな球状から、雷雨に伴う大きな雨滴まで様々です。しかし、いずれの場合も、分離が始まる前に空気を飽和点以下に冷却する必要があります。この事実を念頭に置いて、霧や靄の発生を実演してみましょう。ここに、コルク栓が付いた大きなフラスコがあり、そこにコック付きのガラス管が通っています。自転車の空気入れで空気を送り込み、コックを閉じます。水が過剰にあるため、密閉された空気は飽和状態になります。圧縮ガスが膨張すると、大気は仕事をし、そのため冷却されます。したがって、蛇口を開けるとフラスコ内の空気が冷却され、すでに飽和状態にあるため、冷却の結果、水分の一部が液化します。そのため、蛇口を開けると、フラスコ内部はすぐに霧で満たされます。拡大鏡を使って強い光で霧を観察すると、霧は無数の小さな水の球体で構成されており、それらが空気中に浮遊し、表面と周囲の空気との摩擦によって急激な落下が妨げられるため、非常にゆっくりとしか沈まないことがわかります。球体が小さいほど、質量に対する表面積の比率が大きくなり、したがって落下速度は遅くなります。このように、自然界では、大気が地表と接触することで冷却され、霧が形成されます。飽和点に達すると、余分な水分が小さな球状の粒子となって地表近くに浮かび上がり、太陽が地面と霧のかかった空気を温めると消散し、水が再び水蒸気として保持されるようになります。

霧は、もやと同様に、冷却によって大気から凝縮した小さな水球で構成されています。しかし、これらの厄介な訪問者では、冷却領域がより高いレベルまで広がり、温度低下は冷たい地表との接触以外の原因によるものです。人口の多い都市では、石炭燃焼の煙や交通による道路の摩耗から発生する大量の固体粒子が大気中に存在するため、霧の密度が高まります。フラスコで都市の霧を作ることができます。タバコの煙を少し吹き込み、次に、以前と同じように空気を送り込みます。フラスコ内の空気中に拡散した煙はほとんど見えませんが、蛇口を開けると、前回の実験時よりも内部がずっと暗くなります。こうして、本物の黄色い霧、つまり煙で着色された濃い霧が生成されたのです。煙を消す方法と、街路から発生する塵埃を防ぐ方法を習得すれば、最悪の霧も、現在海や大都市圏から遠く離れた陸地で見られるような濃い霧にまで軽減されるでしょう。

霧や靄、あるいは大気中の水分の凝結によって生じるあらゆる種類の滴を構成する球体には、共通する特徴が一つあります。エイトケンらの非常に興味深い研究が示すように、個々の球体はそれぞれ中心核、つまり通常は小さな塵の粒の周りに形成され、そのため固体粒子で満たされた大気は、気温が露点以下になるとすぐに濃い霧の形成に適しています。しかし、塵の粒子は凝縮球体の生成に不可欠ではありません。なぜなら、私たちが「イオン」と呼ぶ、電気的に帯電した原子である極めて小さな物体が、水が集まる中心として機能することが示されており、高高度での大気の凝結の多くはおそらくイオンの助けによるものだからです。2しかし、塵が常に存在する地表付近では、無数の塵の粒や粒子の周りに凝結するのが一般的です。例えば、ここに蒸気の噴流が空気中に噴出し、無数の小さな凝縮水球からなる白い雲を形成している様子があります。ここで、綿を通して濾過して塵を取り除いた空気が入った大きなフラスコに蒸気を流し込むと、フラスコ内部には雲は形成されず、代わりに噴流の先端とフラスコの冷たい側面で凝縮が起こり、そこから大きな水滴が落下します。塵の多い空気中に見られる雲は全くなく、凝縮過程における固体粒子の影響がこのように鮮やかに示されています。雲は、大気中を様々な高さで漂う濃い霧の塊です。雲を構成する粒子は、より暖かい乾燥した空気層に沈むと蒸発して見えなくなります。しかし、凝縮が続くと、球体は大きくなり、大気の摩擦によって落下が止められなくなると、雨になります。降水が「スコッチミスト」のように小さな水滴がゆっくりと落ちるような穏やかなものであろうと、雷雨に伴うような大きな水滴が急速に落下するものであろうと、作用するプロセスは同じである。霧や雲のすべての粒子、そしてすべての雨滴は核を中心に形成され、その球形は表面の張力によって決まる。

液体媒体中の液体雲。—飽和空気から温度が下がると過剰な水分が析出するのと同様に、ある液体に溶け込んだ過剰な液体も、飽和温度以下に冷却されると析出する。さらに、液体が別の液体に析出すると、無数の小さな球状の形で現れ、濃い雲のような外観。ここに、アニリンを過剰に加えた沸騰したお湯があります。お湯はアニリンを溶解できる限界まで溶解しています。アニリンは冷水よりも温水に溶けやすいため、火を止めてビーカーを冷ますと、溶解した余分なアニリンが沈殿します。冷却は表面で最も速く起こり、白い筋が上から内部に落ちて温まり、消えていくのが観察できます。しかし、すぐに冷却は全体に広がり、筋は固定され、沈殿したアニリンの濃い白い雲のために水は不透明になります。アニリン特有の赤色がないのは、この過程で非常に微細な粒子状態になっているためです。数時間放置すると、白い雲は水の中を沈んでビーカーの底に沈み、そこで小さな粒子が合体して大きな液滴になり、上層の水は完全に透明になります。この過程は、大気中の水分が小さな球状の形で降下する現象と非常によく似ており、もしそれらが乱されなければ、徐々に地面に沈み、空気を澄ませるだろう。

過熱した滴。—液体が沸騰する温度は、通常の条件下では、その表面にかかる圧力のみに依存します。したがって、空気中で沸騰する水は、圧力が76センチメートル（水銀柱29.92インチ、1平方インチあたり14.7ポンドに相当）のとき、100℃（212°F）の温度になります。標高が高く、圧力が低い場所では、沸点は低くなります。したがって、ティンダルはフィンスターアールホルン山頂（標高14,000フィート）で水が沸騰するのを観察しました。 86°C または 187°F で沸騰します。逆に、圧力が増加すると沸点が上昇します。そのため、1 平方インチあたり 35 ポンドの圧力では、温度が 125°C または 257°F に達するまで水は沸騰しません。ただし、表面の圧力が上昇することなく液体の沸点が著しく上昇する異常な条件があり、その場合、液体は「過熱」していると言われます。デュフォーは、同じ密度の別の液体に水滴が浮いていると、水滴が過熱し、サイズが非常に小さい場合は、蒸気になる前に 150°C または 302°F、あるいはそれ以上の温度に達する可能性があることを示しました。これらの温度で水滴が浮く媒体を提供するために、デュフォーは亜麻仁油とクローブ油の混合物を作り、水と必要な等密度温度を持つようにしました。この興味深い現象を実証するために、エチルベンゾエート4容量とアニリン1容量の混合物を用意します。この混合物は125℃（257°F）で、同じ温度の水と密度が全く同じになります。この混合物に、沸騰したばかりの水を2～3立方センチメートル加えます。容器を炎で加熱したグリセリンで囲み、温度を125℃に保ちます。最初は水は沈みますが、混合物の温度に達すると激しく崩壊し、様々な大きさの球状粒子を形成して混合物中に浮遊します。表面に達した水は激しく沸騰し、蒸気となって放出されます。また、大きな球状粒子の中には蒸気を発し、それが表面に上昇していくのが観察できます。しかし、ほとんどの球状粒子はそのまま浮遊します。それらは、構成する水が通常の沸点より何度も高い温度であるにもかかわらず、完全に静穏な状態を保っています。これらの球体の一つに針金を突き刺すと、すぐに破裂し、急速に蒸気が発生するのがわかります。この異常な水の状態を完全に説明するのは困難で、多くの要因が関係しています。その一因として、おそらくは些細な要因ではありますが、球体の表面張力が蒸気の放出を妨げていることが挙げられます。

図34．―ホットプレート上の水の球体。
高温表面上の浮遊する液滴。—液体を少量ずつ非常に高温の固体上に落とすと、表面に広がるのではなく、液滴となって流れ、徐々に蒸発します。注意深く操作すれば、高温表面上に非常に大きな平たい液滴を作ることができ、調べてみるといくつかの注目すべき事実がわかります。中央にくぼみのあるアルミニウム板を用意し、バーナーで非常に高温にします。スクリーンにこの板の上面が投影されているのがわかります。次に、水を一滴ずつ板に落とします。それぞれの液滴が板に当たると、シューという音が聞こえます。個々の液滴は板の中央のくぼみに集まり、非常に大きな平たい球状になります。水が激しく沸騰すると予想するかもしれませんが、沸騰の兆候は見られません。さらに注目すべきは、液滴の温度は、周囲の温度にもかかわらず、通常の沸点よりも低いということです。ここで、液滴が回転し始め、振動を起こし、縁が波状になっている様子に注目してください（図34）。液滴は実際には回転していませんが、沸騰している液滴は急速に蒸気を放出し、そのため徐々に小さくなります。そして今、液滴が実際にはプレートに触れておらず、その上に浮いていることを証明したいと思います。そのために、電池と検流計を含む電気回路を作り、一方の端子をプレートに接続し、もう一方の端子を液滴の中に置きます。液滴がプレートに触れて電気回路が完成した場合のように、検流計には動きが示されません。そして、近くで見ると、液滴とプレートの間に実際に隙間が見えるので、証拠は決定的です。ここで、電気回路をそのままにして炎を取り除き、プレートを冷ますと、しばらくすると、検流計の偏向によって示されるように、液滴が突然平らになり、プレートに触れることがわかります。そして同時に、接触した瞬間に急速な沸騰が起こり、大量の蒸気が立ち昇る。

水の場合に見られた現象は、ほとんどの液体が沸点よりもはるかに高い温度の表面に触れた際に観察される。このようにして高温の表面上に保持された液体は、液体と表面が接触した際に通常見られる平坦な状態と区別するために、球状状態にあると言われる。球状状態について満足のいく説明がなされたことがあるかどうかは疑わしい。明らかに、プレートと液滴の間の蒸気層は、液滴を支えるために相当な上向きの圧力を及ぼさなければならないが、この圧力の正確な発生源を突き止めるのは難しい。

講義III
水面における油の広がり。—少量の油を水面に滴下すると、すぐに広がり、水面を覆う薄い層を形成するのが観察できます。さらに油を加えると、球状の油滴が形成され、スクリーン上でご覧のように、水面に浮かんだままになります。少量の油を滴下した場所から油が四方八方に広がるのは、水の表面張力が油を外側に引っ張るためです。油の表面張力は水の表面張力に拮抗するため、より大きな力が加わらなければ、油滴は広がりません。この結果は、伸ばしたゴム円盤の中央部または他の部分が弱くなった場合に観察される現象と同じです。弱くなった部分は四方八方に伸び、円盤の残りの部分は側面に向かって縮みます。しかし、油が広がり、いわば水面を汚染すると、表面張力が低下し、さらに油を追加しても、油は浮遊する球状の状態で残るため、油を伸ばすのに十分な強さがなくなってしまう。

図35．浮遊する球状物体に作用する力。
浮遊する球体に作用する力をもう少し詳しく調べてみましょう。その上面は空気との接触により、表面張力は通常どおり面積を最小に縮小する傾向があります。球状体の上部は平らではなく湾曲しており（図 35）、その表面は角度をつけて水の表面と接しています。水の表面の伸張力に対抗する反力は水平ではなく、線 B で示されるように接触角の方向に傾いています。球状体の下部も湾曲しており、下から角度をつけて水の表面と接しています。ここでも、水の表面の力に反対する力が作用しますが、その大きさは上部の表面の力とは異なり、線 C で示されるように接触角の方向に作用します。2 つの液体の接合面におけるこの張力は、空気と接触している表面の張力と区別するために「界面張力」と呼ばれます。これら 2 つの張力に対抗するのは水の張力であり、線 A で示されるように表面に沿って水平方向に作用します。線 A、B、C は、一点に作用する力を示しています。しかし、同じ力が球状粒子と水面の接触円周上のあらゆる点で作用している。したがって、水側の傾向は張力は球状体をあらゆる方向に広げるように作用するが、他の2つの張力は球状体の表面が拡大するのを防ぐ傾向がある。結果は、相反する力の大きさと方向によって決まる。図35に示す方向に引っ張る2人の参加者、BとCに対して、1人の参加者Aが対抗する綱引きを想像してみよう。Aは片手で引っ張るが、まっすぐ引っ張れるという利点がある。一方、BとCは角度をつけてしか力を発揮できず、角度が大きいほど不利になる。AがBとCよりも強い場合、球状体は広がる。しかし、広がりによってBとCの引っ張る力が表面に対して傾く角度が小さくなり、その結果、Aに対するBとCの有効な抵抗が増加する。さらに、液体の広がりは水の表面張力を低下させ、すなわちAを弱めるため、BとCが優勢になり、Aが以前に引き伸ばした球状体の表面を引き戻すことが可能になります。これらの制約にもかかわらず、Aが依然として強い場合、球状体は表面全体を覆うまで引き伸ばされます。一方、BとCがAを上回る場合、球状体は収縮し、BとCが作用する角度が大きくなり、その結果、BとCの有効引力が減少するため、両者の合計力がAの力と等しくなると、球状体は静止します。これらの事実を念頭に置くと、きれいな水面に置かれた小さな油滴が広がる理由が理解できます。この場合、AはBとCを合わせた力よりも強いからです。しかし、水面が油の層で覆われると、Aは弱まり、BとCの反対方向の引力に打ち勝つことができなくなります。したがってさらに油を一滴表面に注ぐと、それは球状の形を保ったまま残る。

溶解による動き。—樟脳の小さな破片を水面に置くと、いくつかの注目すべき動きが見られます。3樟脳の破片は水面上を非常に速く動き回り、一般的には、さらに速い回転運動も示します。通常説明されるのは、樟脳が接触点で水に溶け、純水よりも表面張力の低い溶液を形成するというものです。この溶液は、その結果、水面の残りの部分の張力によって引き伸ばされ、その溶液に浮いている樟脳は、引き伸ばし力が最も大きい方向に沿って動くことになります。しかし、樟脳はどこに行っても溶解し続けるため、この張力の相互作用の結果として、絶えず引っ張られ続けます。油に浸した針金で水面に触れると、すぐに動きが止まります。これは、油膜によって水の表面張力が大幅に低下し、樟脳が浮いている部分を引っ張ることができなくなるためです。この説明は、その範囲内では確かに正しいが、浮遊物が溶解する際には、張力に加えて他の力も作用する可能性が非常に高い。

図36．水面に浮かぶアニリンの球状粒子。
水面上のアニリン球の動き。—少量のアニリンを水面に流すと、多数の浮遊球状になります。ここでスクリーンに投影します。少量のアニリンを注いだ水面に、その動きを観察することができます。すべての球状粒子はぴくぴくと動いたり、震えたりしているように見えます。よく観察すると、それぞれの球状粒子の表面が交互に伸び縮みしているのがわかります。縮みには、球状粒子が伸びると縁が波状になる縁から小さな球状粒子が飛び出します。飛び出した小さな球状粒子は、縁の突起から形成されているようで（図36）、主球状粒子から離れると、水面に広がるか、溶けていきます。この過程は長時間続き、徐々に勢いを弱め、最終的には小さな静止した球状粒子が水面に浮かび、水面はアニリンの膜で覆われます。静かに浮かぶ油滴の形成とは著しい対照をなしており、特筆すべき点である。

浮遊する球状体の縁に働く３つの力をもう一度思い出してみましょう（図３５）。水平方向に働く水の表面張力は球状体を伸ばそうとし、表面に対してある角度で引っ張る反対の張力に一時的に打ち勝つことに成功します。しかし、球状体の上面が拡大すると、張力BとCが作用する角度が小さくなり、結果としてその実効的な強さが増します。アニリンが水面に広がると、引っ張る力Aが弱まり、BとCが合わさってそれを打ち負かすため、球状体の表面は再び縮みます。何らかの理由で球状体の伸長と収縮はどちらも突然起こり、それぞれの間に静止期間があり、これらのぎこちない動きによって縁の小さな部分が分離し、それぞれが別の小さな球状体を形成します。水面に広がったアニリンが溶解すると、アニリンの膜の存在によって弱められていた水張力Aが元の強さを取り戻し、再び水滴を引き伸ばします。そして、このプロセス全体が繰り返されます。水面がアニリンで飽和した最上層で永久的に膜で覆われると、水滴は静止したままになり、張力BとCが、弱まったAの引力をちょうど釣り合うような角度で作用する形状になります。水滴の縁が動きの間にへこむ理由、そしてこれらの動きが徐々にではなく断続的である理由は、まだ明確には解明されていません。ホットプレート上の液体の球体も波状の縁を持つことを思い出すと興味深い。そして、この二つの現象には何らかの共通点があるのかもしれない。

図37．水面に浮かぶオルトトルイジン球状粒子。
水面におけるオルトトルイジンとキシリジンの運動 1-3-4 —これからランタンを使って、アニリンの運動よりもさらに印象的で、そして確かにさらに不可解な球状体の動きを観察してみましょう。オルトトルイジンの特別なサンプルを水面に置くと、すぐに多数の球状体が形成され、それらは驚くべき活性を示します。球状体は片側がくぼみ、その後、水面を猛スピードで横切り、激しい動きの結果として通常は2つに分裂します（図37）。その後、短い休止期間が続き、突然、まるで信号が送られると、より大きな球状粒子はすべて再びくぼみ、腎臓のような形になり、再び表面を横切って飛び、より小さな球状粒子に分裂します。非常に小さな球状粒子は静止したままであることに注目してください。この顕著な活動を示すのは、ある一定のサイズ以上の粒子だけです。液体の膜が水面に形成され、その動きは徐々に断続的になり、膜が十分に形成され、大きな球状粒子が非常に小さな球状粒子に分裂すると、完全に停止します。私のオルトトルイジンのサンプルはやや特殊で、同じおよび他の供給源から得られた他の液体のサンプルは、同じ活発な特性を示しません。樟脳の場合と同様に、表面に油を一滴触れると、動きはすぐに止まります。しかし、有機液体キシリジン1-3-4は、画面でご覧いただけるように同じ動きを示し、むしろ、先に示していたオルトトルイジンよりも活発です。付け加えておくと、アニリンのサンプルでも時折同様の動きが見られるが、その強度は弱い。

さて、これらの異常な動きを説明するように求められたとしても、現時点では説明できないことを認めざるを得ません。なぜ球状体は片側だけがへこむのでしょうか？水張力に反対する2つの張力が球状体の周囲全体に作用しており、なぜそれらが1箇所だけでこれほど顕著に優勢になるのかは容易には理解できません。これまでの説明に従うと、表面を横切る動きは、へこんだ部分とは反対側の球状体の後ろにある水張力の優勢な引力によるものとなります。しかし、見た目には、何らかの単一の力がへこみと球状体が全体的に押し進められた。水の表面張力に局所的な弱点があるのだろうか。もしあるとすれば、なぜ各球状体の近くに同時にそのような弱点が形成され、それぞれが同時に動くのだろうか。球状体の側面の空洞の発生源についてどのような説明をしても、断続的な動きと、それが表面全体で同時に発生することを説明するには不十分である。したがって、現時点ではこの問題を保留し、今後の研究によって解決されることを期待するしかない。

図38．浮遊する皮膚を球状に分解した図。
油膜から球状粒子の生成。—油膜が水面に広がると、そのまま永久に残る場合がある。しかし、他の液体の中には、短時間で液滴に分裂する膜を形成するものもあり、その遷移過程はそれは、同時に印象的で美しい光景です。それをお見せするために、スクリーンに水面を投影し、そこにジメチルアニリン（通常のアニリンとは関連性はあるものの異なる油状液体）をほんの少量注ぎます。それは不規則な輪郭の膜状に広がり、しばらくの間静かに浮かびます。しかしすぐに、膜の縁に窪みができ、それが膜を貫通し、窪みの側面から枝が伸び、さらに枝分かれしていきます。そして間もなく、膜全体が枝分かれし、サンゴの塊、あるいはもっと身近な例えで言えばジグソーパズルのような姿になります（図38）。様々な枝が多くの場所で合流し、膜から小さな島を切り離します。するとすぐに、それぞれの島は輪郭が円形になり、球状への分解が完了します。私たちは、自然界の美しい光景の一つを目撃したのです。

ニトロベンゼンとキノリンでも同様の球状体形成法が見られ、後者の物質では作用がより緩やかであるため、ここではその過程をより詳細に研究するために、後者の例を示す。くぼみの形成とその後の分岐、そして皮膚に穴が開いてそこから分岐が進む様子に注目してほしい。この場合、膜は部分的に破壊されるが、表面に球状体だけが残るまで作用は続く。4

水路がフィルムを貫通して小さなセクションに分割する理由や、端の特定のポイントで侵入が起こる理由を理解するのは容易ではありません。他者への優先権。まだ十分に理解されていない何らかの秩序だった力の相互作用が、この作用を生み出している。そして、満足のいく説明はまだ得られていない。

膜から形成されるネットワーク。—膜の破壊のさらなる例として、コールタール由来の特定の油が挙げられます。この場合、結果としてネットワークまたは細胞構造が形成されます。ガラス皿の水面に少量のタール油を置き、スクリーンに投影します。最初は薄い膜に広がり、反射光によって鮮やかな色彩を呈します。しばらくすると、膜に小さな穴が現れ、これらの穴は徐々に大きくなり、膜全体がハニカム状になります（図39）。油は、個々の区画を隔てる壁に積み上がっています。ここでも、表面張力に関する従来の考え方では、この現象を説明できないようです。水面上のほとんどの膜は、このような傾向を示すようです。穿孔は、フィルムの厚さの不均一性、またはフィルムにかかる歪みの分布の不均一性に起因する可能性がある。5

図39．水面に形成されたタール油の膜からできたネットワーク。

図40．キノリン環と穿孔板。
キノリン環。―キノリン膜が球状に分裂することについては既に述べた。しかし、これらの球状粒子が形成されてから約30分後に表面を調べると、それぞれの球状粒子の中央に穴が開いて、環状構造（図40）を形成していることがわかる。より大きな球状粒子の中には、複数の箇所に穴が開いてハニカム状の板状構造を形成しているものもある。スクリーンに投影されているこれらの環や板状構造は変化せず、様々な力の作用下における平衡状態の最終段階を表していると考えられる。これまでの観察結果から判断すると、キノリンは球状粒子から安定した環を形成するという点で、他に類を見ない物質であるように思われる。

図41．膨張する球状体。
膨張する球状粒子。—私は今、この実験では、浮遊する球状体が、静止状態を維持している既存の張力の乱れにどれほど敏感であるかを調べます。スクリーンには、水面に静かに浮かぶジメチルアニリンの球状体が投影されています。ここで、キノリンの小さな滴をその上に落とすと、すぐに表面に広がり、中央に穴が開きます（図41）。その後、球状体は徐々に元の形に戻ります。時には、その動きが非常に激しく、球状体がいくつかの部分に分裂することもありますが、それらは短時間で再び結合します。この動きを説明するには、球状体に作用する3つの張力（図35）を再び参照する必要があります。平衡状態では、AはBとCの共同引力によって釣り合っています。したがって、BとCのいずれかが弱まると、Aが優勢になり、球状体が引き伸ばされます。今回の実験では、界面張力Cの強度が低下していることが、次の2番目の実験で証明できます。例えば、水面に潤滑油の球を浮かべます。この油はキノリンとは容易に混ざり合わず、ジメチルアニリンほど即効性はありません。そこにキノリンの滴を落とすと、油と水の界面にしばらく留まるまでは何も変化は見られません。しかし、液滴が界面を貫通すると、油の球は突然水面に広がり、その勢いは激しく、球本体からいくつかの部分が分離します。キノリンで湿らせた棒で油の表面を軽く触れるだけでは何も変化がないため、この結果は界面張力の低下によるものです。同様の効果は、キノリンをアニリンの球に滴下した場合にも得られ、他の様々な液体でも同様の結果が得られます。

浮遊する球状粒子間の引力 ―「貪り食う」球状粒子。異なる液体の球状粒子が同じ水面に浮遊している場合、合体する傾向が見られることがありますが、これは決して一般的な現象ではありません。ここでは、表面力によってもたらされる驚くべき結果を示す、際立った特徴を持つ例を一つ紹介します。まず、水を入れた皿の表面に、オルトトルイジンの活性球状粒子を多数形成します。これらの粒子は、特有の動きでうねうねと動いているのがわかります。活性がやや落ち着いた後、ジメチルアニリンの大きな球状粒子を水面に浮かべます。すると、すぐに何らかの引力が働いていることが明らかになります。最も近いオルトトルイジンの球状粒子が、侵入者であるジメチルアニリンの球状粒子にすぐに接近するからです。そして、吸収の過程が始まります。ジメチルアニリンの大きな球状粒子は、ある方向に突起を形成します。犠牲者（図42および43）に接触すると、小さなオルトトルイジン球がこの「触手」と融合し、その後、大きな球の中に縮んで戻り、絡み合ったオルトトルイジンを運びます。しかし、これで貪欲な球が満足するわけではなく、すぐに2番目の犠牲者が同じ方法で捕獲されます。そして、縁の周りで絶えずかじられている様子が見られますが、これは小さなオルトトルイジン球の吸収によるものです。この作用は、表面全体からオルトトルイジンがなくなるまで続き、その後、大きな球は容器の中央で静かに浮かび、まるで重い食事の後で休んでいるかのようです。この現象を引き起こす力のメカニズムを完全に解明することは困難である。確かに、大きさが絶えず変化する複数の張力が存在し、その結果として大小の液滴が混ざり合うのである。単一の液滴がこのようにして結合することもあるが、これは一般的ではなく、散在した液滴が離れたままの方が普通である。

図42．「貪食する」球状体。5つの段階。

図43．ある球状体が別の球状体を吸収している様子を撮影した写真。
表面張力現象と生命との類似点。—水面上の水滴の動きを観察すると、すぐに下等生物の行動との類似点が思い浮かぶ。心。ここで生命の起源という議論の多い主題について意見を述べるつもりはありませんが、通常は生物にのみ関連付けられると考えられている特定の現象が、表面張力の相互作用によって生じる可能性があることを指摘したいと思います。私たちの実験では、膨張および収縮運動（水上のアニリン球）、非常に活発な並進運動（キシリジンおよびオルトトルイジン球）、外部物質の取り込み、すなわち摂食（ジメチルアニリンがオルトトルイジンを吸収する）――私たちは今やこれらの長い名前にすっかり慣れてきました――、塊の分裂、すなわち分割（キノリンなどの皮膜が枝分かれした部分に分裂し、大きな球がさらに細分化される）、そして細胞構造の形成（水上のタール油）を目撃しました。そして、私たちが正当に導き出せる結論は、かつて「生命力」の作用によるものと考えられていた生命に関連する多くの観察された現象は、機械的な力によって説明できる可能性があるということです。現代の生物学研究はすべて同じ方向性を示しており、生物と無生物の活動は同じ力によって制御されている可能性が高いように思われる。しかし、生命の謎は依然として残っている。

結論。―私はこれらの講義で、水やその他のいくつかの液体の使用によって生み出される驚くべき結果のいくつかと、そこから導き出される科学的結論を皆様にお伝えしようと努めてきました。私たちが考察した現象は、商業的にはほとんど、あるいは全く応用できないかもしれません。しかし、科学は商業との実りある連携以外にも用途があります。自然がその目的を達成する手段は、想像力を刺激し、知覚を研ぎ澄ますため、最高の教育的価値を持つ。ユングフラウの山頂まで鉄道を敷設することは偉大な科学的業績であるが、鉄道の恩恵によってのみあの雄大な山に魅力を感じていた人々の精神状態を羨むべきではない。そして、雪を冠した山頂であれ、同じように素晴らしい一滴の水であれ、自然の営みに対する感謝の念が薄れるほど、科学の産業的側面に染まってしまうことがないようにと願う。

付録
液滴および球状体の実験に必要な装置および材料。

容器 ―液球や大きな液滴などを直接観察するには、高さ約6インチ、直径約4インチのビーカーが適しています。ただし、水を入れたビーカーは円筒レンズのように作用するため、内部の物体は歪んで見えることに注意が必要です。真の寸法を観察するには、側面が均一な厚さの平らな容器を使用する必要があります。一枚のガラスで作られたガラス製の電池容器は側面の厚さが不均一であるため、お勧めできません。底と縁が銅製で、側面が銅製の枠に接着された板ガラスの窓でできている容器が便利です。このような容器では、冷水から始めればガラスを傷めることなく水を沸騰させることができます。ただし、ガラスが割れる可能性があるため、冷えた容器に熱湯を注ぐのはお勧めできません。この種の容器に適した寸法は、高さ6インチ、幅と厚さが4インチです。水滴が形成されたビーカーをこの四角い容器に入れ、周囲を水で囲むと、歪みは生じません。また、例えば自動アニリン抽出装置のように、必要に応じて内容物全体を温かく保つことができます。滴下。上記のように浸漬したビーカーで実験を行うのが最適です。そうすれば、平たい容器を洗浄することなく、使用した材料を簡単に回収できます。

液柱の形成には、直径1～2インチの試験管、または小型ビーカーを使用できます。直立させるための脚が付いた試験管が最も適しています。試験管またはビーカーを、上記のような平底容器に入れた水に浸すことで、液柱の真の形状を確認できます。容器内の水を温めることで、液柱の形状に対する熱の影響を観察できます。遠心分離機（図7 ）および図8、13、32に示す装置は、製造元のA. Gallenkamp & Co. （所在地：Sun Street, EC）から入手できます。

膜状構造や球状構造を用いた実験は、直径約4インチのビーカー、または小型の磁器製写真用皿で行うことができます。ランタン投影を目的とする場合は、底が板ガラスの浅いセルが必要となり、科学機器販売店から入手できます。

材料 ―使用する各種液体は、化学薬品販売店から安価に十分な量を調達できます。実験で重要な役割を果たすアニリンとオルトトルイジンは、最も安価で適切な市販品を入手してください。その他の液体は、カタログで「純粋」と記載されているものを使用してください。フィルム形成に使用する場合は、ガラス栓が先細りの棒状になっており、液体に浸かるようにしておき、栓を抜くと水面に滴下するのにちょうど良い量の液体が残るような容器に入れて保管してください。

ガラス棒、ガラス板、様々な直径のチューブ、細い銅線、球状状態用のアルミニウム板などの付属品は、どの器具販売店でも入手できます。漏斗などを保持するためのクランプスタンドについても同様です。

水。―記載されているすべての実験には、通常の水道水で十分です。また、薄膜や液滴を扱う実験には、蒸留水よりも水道水の方が適しています。蒸留水は表面が油っぽく、目的の結果を遅らせたり、場合によっては完全に妨げたりすることがあるからです。水面で行うすべての実験は、水を入れる前に水道水で数回すすいだ清潔な容器で行う必要があります。

ランタン投影。―現象を聴衆に実演する際には、ランタンが有効に利用できます。現在入手可能なタイプのランタンで、電気アーク灯またはその他の適切な光源を用いて、水平または垂直のいずれの位置でも実験を投影できるものが望ましいです。垂直位置にある物体の像をうまく投影するには、平らな側面を持つ容器が不可欠です。また、水面上の球状粒子などを示すには、一枚のガラスで作られた容器ではなく、板ガラス底の容器を使用すると、より鮮明な像が得られます。著者は講義用に「カーショー」ランタンを一般的に使用しており、非常に満足のいく結果が得られています。このランタンは、反射光によって固体物体を投影するためにも使用できます。例えば、球状の水が浮かんでいるホットプレートなどです（図34）。「ミラースコープ」として知られる装置も、若干の改良を加えることで、スクリーン上に固体物体の拡大像を生成するために使用できます。

( Pr 1266 )
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バトラー＆タナー（フロムおよびロンドン）
脚注
[1]
この実験にはクロロホルムよりもモノブロモベンゼンの方が適していますが、高価です。モノブロモベンゼンはインディゴで着色できます。クロロホルムはヨウ素で着色できます。

[2]
CTRウィルソン氏は最近、新たに放出されたイオンの周囲に水蒸気を凝縮させることで、電離放射線の飛跡を可視化する装置を考案した。

[3]
これらの動きは1748年にロミューによって初めて記録され、彼はそれを電気によるものだと考えた。

[4]
水面上の膜が崩壊する現象は、約50年前にトムリンソンによって初めて発見された。彼は精油を用いて、その模様を「凝集図形」と名付けた。

[5]
この種の細胞構造に関する興味深い議論は、 1914年4月16日から6月11日号の『ネイチャー』誌に掲載されている。

転写メモ

以下の軽微な誤植を修正しました。

図7：キャプション末尾のピリオドが欠落している

「フィーラー」、不必要な追加の締めくくりの引用

索引: 液滴、形状、10、29、30、31 欠落したコンマ

索引：モノブロモベンゼンは、本文中の参照と一致させるためにハイフンを追加しました。

本書全体を通して、脚注の番号は順次振り直されています。

* このプロジェクトは終了しました。グーテンベルク電子書籍「液体の滴と球状体」*

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「液滴と球状粒子、その形成と運動」の終了 ***
　《完》