シャボン玉で遊んだことありますか？シャボン玉は丸いですよね。面白いですよね。息を吹き込むことができます。飛んだ後、シャボン玉は割れます。わあ、楽しいですね、子供の頃の遊びです。なぜシャボン玉は丸いのでしょうか？
朝起きたら、家の周りの葉っぱに目を向けてみてください。葉っぱについた露のしずくをよく観察してみましょう。不思議ですね。露のしずくは丸い形をしています。どうしてそうなっているのでしょう？
表面張力は、液体の表面が薄い膜のように見えるように引き締まろうとする性質によって生じます。これは、水分子間の凝集力によって影響を受けます。この説明をよりよく理解するために、次の図を考えてみましょう。容器の中の液体を見てみましょう。
液体内部では、各液体分子は両側を他の分子に囲まれていますが、液体の表面には下側の液体分子しか存在しません。表面には他の液体分子は存在しません。液体分子同士は互いに引き合うため、液体内部の分子には全体としてゼロの力が働きます。一方、表面にある液体分子は、底部にある液体粒子によって引っ張られます。その結果、液体の表面には下向きの力が働きます。この下向きの力によって、表面にある液体は表面積をできるだけ小さくしようと、できる限り縮もうとします。
これにより、表面の液体層が薄い弾性膜で覆われているように見える現象が生じます。この現象は表面張力として知られています。
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クリップを水面に慎重に置けば、水面にある水分子はクリップの重力によってわずかに押し付けられ、その下にある水分子が復元力を発揮してクリップを支える。
実際には、クリップやペーパークリップだけでなく、針のようなものも水面に浮かびます。針を水面より上にそっと置けば、針は浮きます。昆虫が水に浮くのも、液体の表面張力によるものです。
表面張力の式
前回の議論では、表面張力の概念を定性的に（数式なしで）考察しました。今回は、表面張力を定量的に見ていきましょう。表面張力の式を導出するために、U字型に曲げられたワイヤーを考えます。U字型のワイヤーの2本の脚には、動かすことができる別の直線状のワイヤーが取り付けられています。
このワイヤーを石鹸の中に挿入すると、取り外した後にワイヤーの表面に石鹸水の層が形成されます。これは、シャボン玉遊びのようなものです。まっすぐなワイヤーは動かすことができ、質量もそれほど大きくないため、石鹸水の層がワイヤーに表面張力を与え、ワイヤーはまっすぐ上に伸びます。ワイヤーが動かないように（ワイヤーが平衡状態になるように）するには、下向きの力が必要であり、その合計力は F = w + T で表されます。平衡状態では、F は石鹸の層がまっすぐなワイヤーに及ぼす表面張力に等しくなります。
直線状のワイヤーの長さを l とします。直線状のワイヤーに接する石鹸水の層には 2 つの面があるため、石鹸水の層によって生じる表面張力は 2l に沿って作用します。石鹸層の表面張力は、表面張力 (F) と、その力が作用する面の長さ (d) との比で表されます。この場合、面の長さは 2l です。数式で表すと次のようになります。
表面張力は表面張力と長さの比であるため、表面張力の単位はニュートン毎メートル（N/m）またはダイン毎センチメートル（ダイン/cm）です。
以下は、実験に基づいて得られた表面張力の値の一部です。
表面張力データに基づくと、温度は流体の表面張力の値に影響を与えます。一般的に、温度が上昇すると表面張力の値は低下します（各温度における水の表面張力を比較してください。表を参照）。これは、温度が上昇すると液体の分子の動きが速くなり、分子間の相互作用が減少するためです。その結果、表面張力の値も低下します。
日常生活における表面張力概念の応用
なぜ石鹸で洗濯をする必要があるのか、疑問に思ったことはありませんか？問題は、洗濯する衣類は実際にはとてもきれいなので、水が衣類の繊維の非常に狭い隙間を通過しなければならないことです。そのため、水の表面積を増やす必要があります。しかし、表面張力があるため、これは非常に困難です。必然的に、まず表面張力の値を下げなければなりません。お湯を使うことで表面張力を下げることができます。水温が高いほど、表面張力が小さくなるため、より効果的です（表を参照）。これが最初の選択肢ですが、あまり使われていない方法です。もう一つの選択肢は、石鹸を使うことです。
20 ℃の温度では、石鹸水の表面張力は25.00 mN/mです。石鹸と温水を比較してみてください。どちらの表面張力が小さいでしょうか？100℃では、温水の表面張力は58.90です。20 ℃の温度では、石鹸の表面張力は25.00 mN/mです。石鹸を使う方が有利です。上記の説明は、影響要因の1つにすぎません。
石鹸や水の泡はなぜ丸いのか？
石鹸の泡や水滴が丸いのは、表面張力の影響を受けているからです。まず、石鹸の泡について説明しましょう。石鹸の泡の表面には2枚の薄い膜があり、その間には薄い水の層があります。
表面張力の存在により、膜は収縮し、表面積を減少させようとします。石鹸水膜が収縮して表面積を最小化しようとすると、膜の外側の気圧（大気圧）と内側の気圧に差が生じます。膜の内側の気圧が外側の気圧よりも小さいため、膜が収縮する際には、外側の気圧（大気圧）が石鹸水膜を押します。
膜が収縮した後、内部の空気（2枚の膜の間に閉じ込められた空気）が押し出され、収縮がなくなるまで層内部の空気圧が上昇します。言い換えれば、収縮がなくなると、膜間の空気圧は、大気圧と、層にしわを寄せる表面張力の和と同じになります。
では、露や蛇口から出る水滴はどうでしょうか？これも同じです。主な原因は表面張力です。石鹸の泡には2つの表面に2枚の薄い膜がありますが、水滴には外側に1枚の薄い層しかありません。内側は水で満たされています。凝集力によって表面張力が生じ、水滴の外側が内側に引っ張られます。その結果、水は収縮し、表面積を小さくしようとします。外側の気圧も水滴を圧迫します。水の内部の圧力が、大気圧と水膜を収縮させる表面張力の和と等しくなったときに、収縮は止まります。
