今日は世界最大のシャボン玉を吹く方法を教えます

ほとんどの人が子供の頃にシャボン玉を吹く遊びをしたことがあると思います。結局のところ、好きな女の子の前で自分のスキルを披露したくない男の子はいるでしょうか。また、太陽の下で色とりどりに輝くシャボン玉を嫌いな女の子はいるでしょうか。

しかし、さまざまな方法で泡で遊ぶのはそれほど簡単ではないかもしれません。泡は壊れやすいように見えるかもしれませんが、実際には複雑な物理学の知識によって支えられています。物理学界では長い間、シャボン玉を吹くことは「本格的な科学」とされてきました。

そこで、世界で最高かつ最大のシャボン玉を「吹く」方法について実際に考えている、一見真面目そうな物理学者のグループが存在します。なぜ？聞かないで、私が欲しいのは一番大きいものだけです！

シャボン玉を上手に吹くにはどうすればいいですか？

19 世紀初頭、ベルギーの物理学者ジョセフ・プラトーは、石鹸膜の構造を決定する 4 つの基本的な表面張力の法則を概説しました。これはプラトーの法則として知られています。

彼が提唱した法則によれば、泡が丸いのは水の表面張力によるものである。重力が存在するため、液体はこの力によって下に引っ張られますが、水分子間の相互引力は水分子と空気間の引力よりも強いため、気体と液体の間の表面積が増加します。この過程で、液体は徐々に「太くなり」、その形は円形のように見えます。与えられた体積が変化しない場合、円の表面積は最小、つまり必要なエネルギーは最小なので、泡は滑らかな円の方向に発達します。

プラートの後、多くの科学者も「シャボン玉を吹く方法」の研究に加わり始めました。あまり早く笑わないでください。これは娯楽ではなく、ただ楽しんでいるだけです。

1940年代、アメリカの植物学者エドウィン・マツケは研究室で手作業で泡を作り始めました。彼は、泡の形が植物組織の細胞と非常に似ていることに気づき、泡を通して細胞の特定の特徴を解釈しようとしました...（このアイデアは非常にユニークだと言わざるを得ません。）

1994 年までに、アイルランドの数学者たちはもはや自らシャボン玉を吹くことはせず、コンピュータ モデリングを使用して最適なシャボン玉の形状を決定するようになりました。ドイツとアメリカの科学者たちは、音響浮遊（巨大な音波）を利用して泡を空中に浮かせ、周囲の音が泡の複雑な調和構造に与える影響を観察していた。 （かなりすごいですね。）

さらに最近では、2006 年にハーバード大学の科学者が、石鹸水に小さなコロイド粒子を加えると、泡水の外側に「保護膜」が形成され、生成される泡がより安定し、さまざまな形に成形できるようになることを発見しました。さらに、科学者たちは、治療薬や化学試薬を送達するために使用できる予備的なマイクロ流体バブルロジック（AND/OR/NOT）デバイスも構築しました。

大きなシャボン玉を吹くにはどうすればいいですか？

しかし近年、物理学者たちは新たな方向に目を向けています。それは、泡をいかに大きく膨らませるかということです。

「吹く」ものである以上、気流の役割は避けられません。 2016年、フランス国立科学研究センターの物理学者2人が、空気の流れが石鹸の膜に当たったときに泡が形成される正確なメカニズムをテストするための理論モデルを開発した。

この目的のために、彼らは幅1メートルの縦方向の石鹸液の膜を開くための大規模な「泡製造」装置も特別に作りました。まず、デバイスのワイヤーに石鹸水を慎重に注ぎ、次に 2 本のワイヤーを引き離して石鹸水が薄い膜を形成できるようにします。

準備が完了したら、異なる流量のガスを石鹸膜に吹き付け、吹き付けられたガスの速度と泡の発生を高速度カメラで観察しました。

結果は、泡は一定の速度を超えた場合にのみ形成され、その速度はジェット気流の幅に依存することを示しました。ジェットが広いほど、気泡形成の閾値は低くなります。簡単に言えば、泡がより簡単に形成されるように、ジェット気流は石鹸膜の幅と同じかそれよりも広くなければなりません。

子供の頃にシャボン玉を吹くのに使った小さな棒を思い出すかもしれません。私たちは口から息を吐き出すので、その円は通常、口よりも小さくなります。

これで終わりではありません。上記の研究に基づいて、ニューヨーク大学応用数学研究所の数学者たちは微調整を加え、さらに液膜を押し出して泡を形成するために必要な流量や、この流量と円の大きさなどの関連パラメータを導き出しました。

彼らの実験によると、気流は2つの異なる方法で泡に影響を与えます。1つは、強くて安定した風を使用して丸い石鹸の膜を押し、泡を形成することです。もうひとつは、小さな泡にゆっくりと優しい風を送り込み、ゆっくりと大きく膨らませていく方法です。

ストリートパフォーマンスで見かける巨大なシャボン玉は、最初の方法を採用しています。演者は、石鹸の膜が「凹面」になるために必要な強くて安定した空気の流れを作り出すために、素早く走ったり腕を振ったりします。

空気の流れの要素に加えて、石鹸水の成分も「大きな泡を吹く」ためのもう一つの非常に重要な要素です。

ここで、米国のエモリー大学のジャスティン・バートン准教授について触れなければなりません。バルセロナでの会議に出席中、彼は巨大なシャボン玉を吹いているストリートパフォーマーに遭遇した。太陽光の下では、泡は薄膜干渉の光学現象を示しました。

バートン教授は、これがフィルムの2つの表面から光が反射したときに生じる干渉パターンによるものだと知っていました。彼を驚かせたのは、このことではなく、これほど薄い泡が破裂することなくこれほど大きな表面積を維持できるということだった。

そこで彼は家に帰って泡の成分を研究し始め、また学生たちに実験室で一緒に泡を吹く遊びをするように頼みました。

多くの実験を経て、彼はポリマーが大きな泡の形成に重要な役割を果たしていることを発見しました。ポリマーは泡の強度を高め、泡を大きく膨らませて破裂しにくくすることができるからです。

シャボン玉で遊ぶジャスティン・バートンと彼の生徒たち

最後に、大きな泡を作るための初歩的な作り方を簡単に紹介します。プラズマ水（普通のミネラルウォーター）1kg、洗剤50ml、グアーガム（ポリマーとして機能する一般的な増粘食品添加物）2～3g、ベーキングパウダー2g、アルコール50mlです。

レシピに加えて、大きなシャボン玉を吹くために使用する道具も重要です。シャボン玉ウィキでは、できるだけ多くのシャボン玉水を吸収し、大きなシャボン玉を吹き出すことができる自家製の道具について説明しています。 （たぶんこんな感じです。）

条件を満たしている学生は、自分で試してみるとよいでしょう。巨大なシャボン玉を吹くことに成功した人は、みんなに伝えるメッセージを残したり、みんなが見られるように掲示したりできます。