毛細管現象

コップに水を半分ほど入れて、ティッシュを細長く折り、端だけをちょっと浸してみましょう。しばらくして見ると、濡れた部分が水面より上へじわじわとにじり上がっています。誰も押し上げていないのにです。

秘密は、水の分子が持つ二つの性質にあります。一つは水どうしが手をつなごうとする性質、もう一つは別の物質にくっつこうとする性質です。前者を凝集力、後者を付着力と呼びます。

ティッシュは細い繊維が絡み合っていて、その間に狭いすき間がたくさんあります。水がこのすき間の壁にくっついて少しよじ登ると、手をつないでいた後ろの水も引っぱられて上がってきます。登った分だけ新しい壁が現れるので、これがずっと続いていきます。

こうして壁にくっつく力が水どうしのまとまる力と手を組んで、水の柱を上へ引き上げます。水が重力を消しているのではなく、引き上げる力が水柱の重さより大きい間だけ上がっていくのです。

太さの違うストローを二本、水のコップに並べて立ててみると、違いが目に見えます。細いストローの中の水は、太いストローの中の水より高く上がっています。

引き上げる力は、水が壁と接している周りの長さから生まれます。反対に、引き上げるべき荷物、つまり水柱の重さは、管を切った断面の広さに応じて増えます。

管の直径を半分にすると、接する周りの長さも半分になります。ところが断面の広さは4分の1に減ります。くっつく力は半分になるだけなのに、持ち上げる荷物は4分の1になるので、結局、水は2倍の高さまで上がることになります。

だからすき間が細いほど液体は高く上がります。ティッシュや布、土の粒と粒のすき間、植物の茎の中を通る細い水の道のように、狭い通路があるところなら、どこでもこれが起きています。

すべての液体が細い管の中で上がるわけではありません。水銀は、ガラスの壁にくっつく力より、自分どうしでまとまる力のほうがずっと強いのです。そのため細いガラス管に入れると、外側の液面よりむしろ低く下がり、表面も丸く盛り上がります。

二つの力のどちらが強いかが、向きを決めているわけです。水とガラスのようにくっつく力が強ければ上がり、水銀とガラスのようにまとまる力が強ければ下がります。

背の高い木がてっぺんの葉まで水を届けることも、この現象だけでは説明できません。葉から水が空気中へ抜けていくときに、上から水柱を引っぱる力が加わっているからです。

もう一度ティッシュに戻ってみましょう。ティッシュが水を吸い上げるのは、特別な力が隠れているからではなく、壁にくっつく力と水どうしがまとまる力の綱引きの結果なのです。