前回、お風呂でおけを鏡にくっつけて遊んだ記事を書きました。
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子どもに、どうしてお風呂のおけが鏡にくっつくのか説明しようとしてやめました。いつか、学校で空気の原理を学ぶときにあの時家で遊んだあれだ！と気付いてくれたら嬉しいと思っています。
けれど、自分はちゃんと理解しておきたいな～と思って、いざ記事にしようとすると、全く理解できていないことに気づきました。
最初、お椀の蓋がとれない原理と同じだと思っていましたが、考えれば考えるほど、だんだん自信がなくなってきました。それでも、いつか子どもが大きくなった時に説明できるように、なぜお風呂のおけが鏡にくっつくのか考えてみました。誰か、あっているかどうか教えていただけないでしょうか。
おけがお風呂の鏡にくっついた時の条件
まず、おけが鏡にくっついたときの条件を詳しく振り返ってみたいと思います
- お湯の温度40℃
- 浴室の気温30℃
- 脱衣所の気温26℃
- おけはプラスチック製。歪みなくぴったり鏡にくっつく形。
- 鏡はひんやり（温度分からず）
- 季節は春
やり方
①お風呂に湯船をはってい状態で浴室内の温度は３０℃。体を洗うのに使ったおけを鏡にくっつける。
②おけを４０℃のお湯の中で５分ほどあたためて、鏡にくっつける
③浴室の扉や換気扇をまわして、気温26℃の空気を入れ２０秒程度冷やす
予想
この条件で、おけが鏡にくっついたのは、
おけの中の圧力が下がることで、周りの気圧の方が強くなり、おけを支えるだけの力が発生したから
その圧力を下げた原因が次の二つ
その１ 空気の収縮
その２ 水蒸気が水滴に変化したことによる体積の変化
こられの原因によって、鏡におけがくっついていたのではないかと考えています。
この二つについてもう少し詳しく書いてみたいと思います。
その１ 空気の収縮の様子
①何もしないでおけを鏡にくっつけた直後
おけの中の力と外の力は均衡している。娘が実験して失敗した時の状態。
＊白い○は空気を表している。
②おけをあたためて鏡にくっつけた直後
おけの中の空気は外気より膨張する。くっつけたすぐはすべるような感じだった。（図Aが8個分の空気が入っているのに対し、この図では空気が膨張しているので６個分入るくらいのように描きました。）
③浴室の温度を下げたとき
本来8個分以上の空気が入るところに6個しか空気が入っていないため、空気が収縮する。
その２ 水蒸気が水滴に変化する様子
①何もしないでおけを鏡にくっつけた直後
おけの中の力と外の力は均衡している。娘が実験して失敗した時の状態。
＊六角形の白い形は水蒸気を表しています。
②おけをあたためて鏡にくっつけた直後
40℃のお湯の中で5分間ほどおけを温め、鏡にくっつける。水蒸気量が高いため水蒸気が多い。＊ここが合っているかどうかが自信ありません。もしかしたら、この矢印は、おけの中、外、ともに同じ大きさかな。
③浴室の温度を下げたとき
おけの中の空気が冷却されて、飽和水蒸気量が下がり、水蒸気が水滴に変わる。
水の体積は、水蒸気>水滴
なので、水蒸気が水滴に変わった分だけ空気の体積も小さくなる。
なぜおけが鏡にくっつくのか
つまり、
おけの中の空気が収縮したとともに水蒸気が水滴に変化した。
そのため、空気中の体積が小さくなり圧力が下がった。
その結果、外気圧の方がおけを抑える力が強くなり、鏡にくっつくことができた
いかがでしょうか。合っていると思いますか？
下線を引いている箇所が特に自信がないところです。
もし違ってたら、コメント欄に記述してもらえると嬉しいです。
もやもやしていること
お椀の蓋が開かない理由について
自分なりに考えをまとめてみましたが、ものすごく自信がありません。
この記事を書くにあたって、お椀の蓋がなぜ開かないのか理由を調べてみると、「空気の膨張」「水蒸気の変化」のどちらか一択しか書いていない記事をいくつか拝見しました。自信満々に「空気の膨張と収縮」と書いてある文章を見ると自分の考えがぐらつきます。お椀の場合は、入っている空気の体積が少ないだけでなく熱いお湯が入っているので、「水蒸気の変化による気圧の低下」の方が強い力が働きそうですが、いろんな記事に振り回され自信がなくなってきました。
空気の収縮と水蒸気の変化、どちらの力が強く働いているのか
このおけの実験だと、どちらも温度で変化するものなので見た目では判断できません。どうしたものかと思っていたらこんな記事を見つけました。
味噌汁の容器のフタが開かないことについて - 味噌汁が冷えると、... - Yahoo!知恵袋
計算によって、どちらの力が強く働いているか分かりそうです。これと同じように計算してみたら分かるのかな。でも、私にはちょっと難しい。できるかな。やってみようかな。うーーん。
または、電子レンジとお湯を使って空気をあたためた場合の違いを実験したらもう少し分かるのかなと思っています。
もし、他にこんなやり方が良いという方法がありましたら教えてください。
温度の差が少なくて空気や水蒸気が変化するのか？
さらに疑問は続きます。
扉を開けて浴室を冷却しない状態ではほとんどくっつきませんでした。おけをあたためて温度差を作ったとしても、それだけではだめなんです（実験した季節は春で冬より温度差が生まれにくい時期でした）。重要なのは、ドアを開けて浴室の温度を下げることでした。ところが、ドアを開けて温度をさげたとしても、その差約4℃。しかも20秒ほどしか冷やしていないのでそんなに浴室内が冷却されたとも思えません。実際、温度計の針は30℃を示したままほとんど変化していません。水蒸気が液体に変化する実験のページを見ると、高温を冷却するようなやり方をしてます。今回のように数度しか違わなくてほんとに空気や水蒸気が変化しているのか疑問に感じています。
おわりに
大きくなった子どもに説明するつもりで書いてみましたが、さらにもやもやが大きくなってしまいました。
私にはとても難しいです。シャルル・ボイルの法則を思いだして軽くめまいがしました。実験をたくさんやってきた方から見れば本当に分かりにくいレポートで申し訳ないと思うのですが、分からないながらに考えてみました。
こういう話がなかなかできず、思わずブログで公開質問をしてしまいました。気体の変化について詳しく分かる方がいましたらぜひ教えてください。
もう一度繰り返します。
違ってたら、コメント欄に記述してもらえると嬉しいです。
急いでいません。数年たっていたとしても歓迎です。
誰か正しい答えを教えてください。
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