疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(5)-

-----
本稿は、
1月31日：「サイホン現象を観た時の二つの衝撃」
2月 5日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(1)-」
2月14日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(2)-」
3月 6日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(3)-」
3月12日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(4)-」

の続きにあたるものです。

-----
疑問に対して徹底的にナイーブな人は多数派ではないだろう。しかし少年 はぎわら_m が感じた疑問の感覚は、類稀なるユニークなものでは決してない。ここで上げた例に限らず、疑問を感じるときの思考の様には、いわゆる勉強の成績の良し悪しなどとは殆ど独立に、多くの人に共通するパターンがある。

ただ、その疑問を、堂々と抱き表明する勇気というか自信というか意欲の源泉のようなものが、疑問の感覚を的確に理解し共感してくれる周囲の者の不在や、一つ一つの疑問を解決する前に次々と新しい現象が突き付けられてしまう慌しい現代の技術社会の有様などが原因となり、萎縮させられてしまう、、そしてこの萎縮経験の反復は、やがて疑問に対する感受性の根本的消失を招く、、私は、このような状況を憂う。

少年 はぎわら_m の疑問を聞いた大人は、忘れかけた自分の純真な時代を思い返し、共感の可能性をまず一生懸命探るべきである。どうしても、思いが甦らなければそれは仕方がない。疑問を大切にして、他の人に相談することを勧めるのが適切な対処だろう。もし、自分も同じような疑問を感じた経験に思い至ったならば、その自分なりの疑問の構造を、言葉にして表し、少年の疑問に通じるものかどうかを問うてみるべきだ。

「川の水の流れの場合と何が違うのだろう．」、「ホースの中の水を砂におきかえた場合はどうなるだろうか．」、、少年 はぎわら_m が、自分の疑問の構造を的確に表現した言葉を見つけることができたならば、科学の勉強に対するモチベーションの直接的な端緒になったはずだ（実際には、自分の個性を見つめる漠然たる思い出のエピソードに留まった）。

もし、疑問の構造を言い当てることができたなら、一緒になって、その先の分析や探究に入っていくのがベストだろうが、これはなかなか難しい。これを引き継ぐのは、理科の先生の役目だ。この不思議の理由を学校の理科の先生に相談してみることを勧めればよい訳だ。

稿途中－つづく－

格差社会の連載報道の紹介

'06,2/6：「努力が報われる社会」に騙されるな の〔追記〕に記した格差論争のニュースサイトのリンクが切れたようだ。

そこで、替わりを探すうちに、毎日新聞の連載特集記事：「縦並び社会」のサイト http://www.mainichi-msn.co.jp/shakai/wadai/tatenarabi/ を見つけたので、これを〔追記のリンク追補〕として書き加えた。

---
06年3月現在、第2部に入っているが、バックナンバーのサイトも利用すると、ネットで全部読むことができる。

首相の薄っぺらな答弁など、全く耳を傾けるに値しないということが、ひしと分かるような、大事な報道特集だ。一読をおすすめしたい。

（文章手直しのお知らせ）

前回3月12日に記述した「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(4)-」の文章に、意味が通じにくいところがありましたので、手直しをしました（大した改良にはなっていないか(^^;　）。

---
さらに、3月12日の疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(3)-の中で示した、水（液体）の本性の記述に不足していたところを（ほんの少しだけ）加筆しました。

---
図を描くべきだとは思うのですが、手間がかかる割には、意味の厳密化にはあまり役立たないと思えるので、とりあえず省略しています（はっきり不精者だと白状すべきですね、、）。

しかし、一生懸命文章にしていると、自分でも意外なほどに、理解が曖昧なところがはっきりするし、整理も進みます。イメージ上は分かったつもりになっている当たり前のようなことでも、改めて説明文にしてみることは大いに有益であることを実感しました。「何となく、、」の理解段階を脱却する方法として、多くの方にお勧めしたいと思います。

=====追記=====
本日より、コメント本文（他いくつかの部分）のフォントサイズを一段大きくしました。

疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(4)-

-----
本稿は、
1月31日：「サイホン現象を観た時の二つの衝撃」
2月 5日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(1)-」
2月14日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(2)-」
3月6日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(3)-」
の続きにあたるものです。

-----

さて、ここまでの考察により、06-02-14の稿（-サイホン現象を例に(2)-）で示した二つの疑問のうち、(2)の方はひとまず解決した。

〔再掲〕
(1)川の水の流れとサイホンとの違いの本質は何か？
(2)砂と水の違いの本質は何か？

---

これを基に、(1)を再考することで、サイホン現象に関する疑問の構造を解き明かすことができる。

川の水の流れの特徴は、上方が開放していることである。このような開放型の水の通り道の場合、そこに流れる水の外形状は、全体積を一定にした条件下で、重力による位置エネルギーを最小にする形として、ほぼ決定される（'ほぼ'と言うのは、水の運動による非平衡定常現象を無視していることなどによる）。もし、水路の底を高く盛り上げたとしても、それに合わせて水面の形状も盛り上がるということはなく、さらに底の盛り上がりがある程度以上大きくなれば、そこで水は途切れてしまう－－このことを阻止する要因はない。

一方、サイホン現象を起こす水の通り道は、必ず、（ホースのような）隙間や穴のない管状になっている。ホースの途中が高く持ち上がっているとき、重力の位置エネルギーを小さくしようとする効果が働くことには変わりはないので、頂点の両側の水には下り方向の力の成分が作用することは確かである。

しかし、開放型と閉管型の場合で決定的な違いがある。それは、水の外形状の変化が水圧に与える影響だ。これが両者ではまるで異なるのだ。

まず開放型水路の場合を考えると、水の外形の変化－この場合は水面の形状の変化－があってもなくても、空気の大気圧が一定である以上、水の圧力状態にはほとんど影響がない。水路の底の形が変化したとしても、水は水で、自分の位置エネルギーを下げるように勝手に形を変えることができる。

ところが一方、閉管型の場合は、水が管の内側から離れて形を変えようとするとき、管壁の方は変形しないので、直ちに水圧の低減が起こってしまう。サイホンのホースで言えば、自重で引っ張られることの効果で、頂点付近の水圧は顕著に下がることを余儀なくされる。このとき、ホースの入り口と出口の（池の水位付近）の圧力は、常にほぼ大気圧に保たれているので、頂点付近から入り口や出口の方に向かって圧力勾配が形成されることになる。このときの水圧の差（圧力勾配）は、減圧部分の水を押し上げる（押し込む）力をもたらすので、結果的にこの力の効果と重力の効果が釣り合ってしまう。このような事情のために、閉管内の水は、容易に管の内形状から形を変えることが許されず、その結果、水が細くなったり、くびれたりして、左右に分かれてこぼれ落ちることが阻止されているのである。

こうなると、管内の水は常に一体として振舞うこととなり、それはあたかも、2月14日に提示した例え：「ホースの中を通るつながった鎖」のように、途中が高かろうとも、低い出口の側へ向かって一つなぎの形でずるずると流れるのである。

---
以上は、大気圧を主な要因とみなすときの説明であり、通常の実情には、ほぼ相応しい考え方と考えられる。しかし、管中の水が、管から離れた形をとり難くしている要因は他にもある。

一つは、管の内壁と、水との分子間力、いわゆる「濡れ」の効果である。もう一つは、水自身が一体になろうとしているいわゆる「凝集力」の効果である。これらは大気圧の効果より弱いと考えられるが、減圧した環境で実験を行えば、表に出てくるはずである。減圧条件下で、液体の種類（凝集力）を変えたり、管の材質（液体との間の濡れの程度）を変えたりして、どの程度の高さまで管を持ち上げてもサイホン現象が起こり得るかを調べることは、大変興味深い。

=====
少々科学的内容に立ち入りすぎたきらいがあるようだ。結局、少年 はぎわら_m の疑問をどのようにフォローすればいいのか、、次回は、教育的観点に立ち戻って、まとめに向かいたい。

－つづく－

疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(3)-

-----
本稿は、
1月31日：「サイホン現象を観た時の二つの衝撃」
2月 5日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(1)-」
2月14日：「疑問の構造とは何か -サイホン現象を例に(2)-」
の続きにあたるものです。
-----

水は、誰しもが日常的によく親しんでいる物体であるにもかかわらず、水（あるいは液体一般）の性質が、整理された形で説明されているのは、ほとんど見たことがない。しかし、サイホン現象の疑問の源泉へ向かってたどってきた我々は、今や、マクロな物体としての水の本性を明らかにしなければならなくなった。

液体の性質の詳細に立ち入ることが今の目的ではないので、結論的な定性表現にとどめるが、水は、ミクロな構成要素（とりあえずは水分子）が、固体（氷）のときと同程度の強さでつながってはいるが、その要素間のつながりの向きやトポロジーにほとんど制約がない、、こういう物体なのである。

その結果どういう性質が現れるかというと（ただし平衡状態で）、

(1) 基本的には、マクロな一体を成そうとする（理由がなければ球状になる）が、

(2) 体積を変えずに外形状を変えることはきわめて容易（エネルギーをあまり要さず）に起きる。
　　ただし、形を変えながらでも、一体性を保つので、気体などを通過させることがない。

(3) 要素間の平均距離（密度）を変えることで、等方的な圧縮応力（水圧）状態が実現する。
　　ある一体の水が、外力を受けながら、一定の位置と形を占めるときには、水圧が適当な連続分布をした状態で、容器などの外界物との間で釣り合い状態をつくっている。


上の表現は堅苦しいので、直感イメージをつくりやすいモデルを示したいのだが、これが案外難しい。固体であれば、小球がバネによって前後左右上下につながった立体構造体を考えればよく、このモデルでかなり本格的な物性までが説明できる（ただし結晶の転位などは扱えない）。しかし、液体の場合は、内部要素間の結合のトポロジーが切れている様をうまく例えるモデルがない。”隣と常に離れないように接しているが、転がって向きは自由に変わるような多数の球の集まり”を想像すると多少のイメージの助けになるだろうか。磁石に吸い付いて磁化した、多数のパチンコ玉や砂鉄の集まりがやや似ていると言えないこともない（大部違うところもあるが）。

---
このような水において、どういうときに、一体構造が切れてしまうかというと、体積を一定に保ちながら外形を変えていって、どこかに'くびれ'をつくり（全体を細くしても構わないが）、くびれの断面積部分の分子数をほとんどゼロに近づけることができたときだ。分子間の結合が強くても、マクロな形状に対して数個の結合であれば、容易に引き剥がされる。

－つづく－