このブログは『一人の技術士が、手持ちの知識だけでどこまで本質に迫れるか』という思考実験を行う内容です。考察過程の面白さに焦点を当てており、知識の正確性は保証しておりません。厳密な知識と学び直しは、Noteの『答え合わせ編』（近日公開！）でご覧ください。
うちの子どもたちが、ちょっと隙さえ与えればゲームにスマホに時間を忘れて没頭するので、少しでも日常に刺激を・・・という想いで、石鹸と砂糖を使って即席のシャボン液をつくって、風呂場で遊ばせてみました。
なんだかんだ言って、小学校低学年くらいまでなら、こういった子供だましじみたことにも好奇心をそそられるものです。
ストローの先をシャボン液につけて、慎重に息を吐いてシャボン玉を膨らませるだけという遊びで、ゆっくり慎重に息を送り込んでいくと、シャボン玉の球体が回転しながらどんどん大きくなっていく様子が、表面の虹色の輝きの回転の様子からわかります。
そこで、ふと、そういえばなんでシャボン玉はいつも球体なのか？と疑問が湧きました。息は前に向かって吹いてるんだから、シャボン玉は前向きに長くなっていってもよさそうなものです。実際、一瞬はそうして前方向に長くなったときがあったとしても、次の瞬間、球体に整えられます。
なぜ、シャボン玉は頑なに「球体」という形を選ぶのでしょうか？
ちょっと考えてみることにしました。
疑問1：そもそも「膜」ってどうやってできているんだろう？
まず最初に気になったのは、「膜」そのものについてです。
ストローの先を普通の水につけて息を吹きかけても、シャボン玉はできません。でも、シャボン液につけると、あの美しい膜ができる。つまり、水は膜を張れないけど、シャボン液は膜を張れるわけです。
この違いは何なのか？おそらく、分子間の結合力の違いだろうと推測します。
水分子同士の結合は比較的弱いため、膜として形を保てない。一方、シャボン液の成分（正確な名前は覚えていませんが）は、水よりも強い結合力を持っている。ただし、金属のような硬い「結晶」を作るほど強力ではない。シャボン玉が柔軟に形を変えられるのは、ガチガチの結合ではなく、程よい強さの結合だからでしょう。
化学的に考えると、共有結合ほど強力ではなく、単純な分子間力よりは強い。極性が強い分子同士の電気的な結合（名前が出てこない…）あたりが働いているのではないでしょうか。
また、シャボン玉の膜が薄いのは、分子の極性に方向性があって、つながれる方向に制約があるからかもしれません。分厚い膜のシャボン玉って見たことないですよね。
疑問2：なぜ息を吹くとシャボン玉は膨らむのか？
次の疑問です。ストローで息を吹き込むと、シャボン玉はどんどん大きくなります。
「そりゃ空気を送り込んでるんだから膨らんで当たり前でしょ」と思うかもしれません。でも、ちょっと待ってください。自転車のタイヤを思い出してください。ある程度膨らんだら、それ以上空気を入れても大きくなりませんよね。
つまり、空気を送り込めば膨らむというのは、実は当たり前のことではないのです。
では改めて、シャボン玉はなぜ膨らむのか？
最終的にシャボン玉が飛び立つとき、球体の形で安定しています。この状態では、シャボン玉の内側と外側の圧力が釣り合っているはずです。つまり、どちらも大気圧。
ここで気体の状態方程式「PV=nRT」を思い出します。Pは圧力、Vは体積、nは物質量、Rは気体定数、Tは温度です。
もしシャボン玉のサイズ（体積V）が一定だったら、空気を送り込む（nを増やす）につれて、圧力Pがどんどん高まっていくはずです。自転車のタイヤはこの状態ですね。
でも実際のシャボン玉では、圧力が内外で一致するように、体積Vが大きくなっていくのだと考えられます。膜が柔軟だからこそ、圧力の上昇に応じてサイズが変わる。これが、シャボン玉が膨らむ仕組みではないでしょうか。
疑問3：なぜシャボン玉は「球体」になるのか？
さて、本題です。シャボン玉に息を吹き込む過程では、一瞬縦長になることがあっても、すぐに球体になって飛んでいきます。なぜでしょうか？
ここで、ひとつの例え話を考えてみました。
100人が輪になって、隣同士で手をつないでいるとします。これは、極性分子同士が結合してできたシャボン玉の膜のイメージです。さて、この100人がいったん中央に密集したとします。そこで突然、中心で火災が発生しました。
100人は一斉に、一様に外へ広がるように逃げていきます。すると、その人の輪はどうなるか？おそらく、自然と「円」になるのではないでしょうか。
肝心なのは、100人全員に対して、内側から同じようにプレッシャーがかかっているということです。
シャボン玉も同じではないかと推測します。シャボン玉の中の空気圧は、膜のどの部分に対しても同じように働く。この均等な内圧が、シャボン玉を球体にする原動力になっているのではないでしょうか。
そして、先ほどの例で火災がさらに広がれば、100人のどこかは耐えられなくなって手を放してしまうかもしれません。これが、シャボン玉でいうと「割れる」状態です。内圧が分子間の結合力を上回ったり、膜のどこかに外から力が加わったりすると、そこにほころびが生じて割れるのでしょう。
考えてみてわかったこと
シャボン玉がいつも球体になる理由を、手持ちの知識だけで考えてみました。
- シャボン液の分子が程よい強さで結合して「膜」ができる
- 内部の空気圧が高まると、膜が柔軟なため、圧力を均等にするよう体積が増える
- 膜のすべての部分に均等に内圧が働くことで、自然と球体になる
もちろん、これらの考察が正しいかどうかはわかりません。極性分子の結合の種類も正確には覚えていないし、シャボン液の成分名も思い出せません。でも、手持ちの知識と観察だけで、ここまで考えを進められたことが、個人的には面白かったです。
身近な現象ほど、実は深く考える余地があるものです。「なんで？」と疑問に思ったとき、まずは自分の頭で考えてみる。答えが合っているかどうかより、その過程で物理や化学の知識がつながっていく感覚が、科学の醍醐味ではないでしょうか。
次にシャボン玉を見かけたら、ぜひ「なぜ球体なんだろう？」と立ち止まって考えてみてください。あなたなりの答えが見つかるかもしれません。
技術士の思考を支える、私の学び直しツール
今回の考察で出てきた「極性分子」「気体の状態方程式」「分子間力」といったキーワード。これらが頭の中でスッキリ整理されていると、考察のスピードは格段に上がります。
もし、私と同じように「もう一度、基礎から物理・化学を学び直したい」と感じたら、これらの書籍をおすすめします。
【追伸：答え合わせと応用編へ】
もちろん、これらの考察が正しいかどうかは、最終的に専門的な答え合わせが必要です。なぜシャボン玉は完璧な球体になるのか？気になった方は、是非noteの「答え合わせ編」（近日公開）も併せてご覧ください！
