毛細管現象

毛細管現象（毛細管現象、毛細管運動、毛細管上昇、毛細管効果、またはウィッキングとも呼ばれる）は、重力などの外力の助けを借りずに狭い空間内を液体が流れるプロセスです。

この効果は、絵筆の毛の間に吸い上げられた液体、ストローなどの細い管、紙や石膏などの多孔質材料、粘土や液化炭素繊維などの非多孔質材料、または生物細胞などで見ることができます。

これは、液体と周囲の固体表面の間の分子間力によって発生します。チューブの直径が十分に小さい場合、表面張力（液体内の凝集力によって発生）と液体と容器壁の間の接着力の組み合わせによって、液体が推進されます。

毛細血管はラテン語の capillaris に由来し、「毛の」または「毛に似た」という意味です。この意味は、毛細血管の直径が毛のように小さいことに由来しています。

毛細管現象の最初の記録は、レオナルド・ダ・ヴィンチによるものである。^{[1] [2]}ガリレオの元教え子であるニッコロ・アッジュンティが毛細管現象を研究したと言われている。^[3] 1660年、アイルランドの化学者ロバート・ボイルにとって毛細管現象はまだ目新しいものだったが、彼は「好奇心旺盛なフランス人」が毛細管を水に浸すと水が「パイプ内のある高さ」まで上昇するのを観察したと報告した。その後、ボイルは毛細管を赤ワインに浸し、その管を部分真空に置いた実験を報告した。彼は真空が毛細管内の液体の高さに目に見える影響を与えないことを発見した。そのため、毛細管内の液体の挙動は、水銀気圧計を支配する現象とは異なる何らかの現象によるものであることがわかった。^[4]

すぐに他の人もボイルに倣った。^[5]一部の人（例えば、オノレ・ファブリ、^[6] ヤコブ・ベルヌーイ^[7]）は、空気は液体ほど簡単に毛細管に入ることができないため、毛細管内の気圧が低くなり、液体が毛細管内を上昇すると考えていた。他の人たち（例えば、アイザック・フォシウス、^[8] ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリ、^[9] ルイ・カレ、^[10] フランシス・ホークスビー、^[11] ジョシア・ヴァイトブレヒト^[12]）は、液体の粒子が互いに、また毛細管の壁に引き付けられると考えていた。

18世紀も実験研究は続けられたが、^[13]毛細管現象の定量的研究^[14]は、1805年にイギリスのトーマス・ヤング^[15]とフランスのピエール＝シモン・ラプラス^[16]の2人の研究者によって初めて達成された。彼らは毛細管現象のヤング＝ラプラス方程式を導いた。1830年までに、ドイツの数学者カール・フリードリヒ・ガウスは毛細管現象を支配する境界条件（すなわち、液体と固体の界面の条件）を決定した。^[17] 1871年、イギリスの物理学者ウィリアム・トムソン卿（後のケルビン卿）は、メニスカスが液体の蒸気圧に与える影響を決定した。これはケルビン方程式として知られる関係である。^[18]その後、ドイツの物理学者フランツ・エルンスト・ノイマン（1798–1895）は、混ざり合わない2つの液体の相互作用を決定した。^[19]

1900 年にアナレン デア フィジークに投稿されたアルバート アインシュタインの最初の論文は毛細管現象に関するものでした。 ^{[20] [21]}

多孔質媒体における毛細管浸透は、その動的メカニズムが中空管内の流れと共通しており、どちらのプロセスも粘性力によって抵抗される。^[22]そのため、この現象を実証するためによく使われる装置が毛細管である。ガラス管の下端を水などの液体に入れると、凹状のメニスカスが形成される。液体と固体の内壁の間に接着が生じ、液体の質量が十分になって重力がこれらの分子間力を克服するまで、液柱が引っ張られる。液柱の上部と管との接触長さ（端の周囲）は管の半径に比例し、液柱の重さは管の半径の2乗に比例する。したがって、内側の水分子が外側の水分子に十分に凝集していれば、細い管の方が太い管よりも液柱を遠くまで引っ張ることになる。

建築環境では、蒸発を制限する毛細管浸透がコンクリートや石材の湿気上昇現象の原因となっていますが、産業や診断医学では、この現象が紙ベースのマイクロ流体工学の分野でますます利用されつつあります。^[22]

生理学では、毛細管作用は、継続的に生成される涙液を眼から排出するために不可欠です。まぶたの内側の角には、涙管とも呼ばれる直径の小さな 2 つの小管があり、まぶたをめくると涙嚢内にその開口部が肉眼で確認できます。

ウィッキングとは、ろうそくの芯のように物質が液体を吸収することです。

ペーパータオルは毛細管現象によって液体を吸収し、液体を表面からタオルに移すことができます。スポンジの小さな気孔は小さな毛細管として機能し、大量の液体を吸収します。一部の織物は、毛細管現象を利用して汗を皮膚から「吸い取る」と言われています。これらは、ろうそくやランプの芯の毛細管特性にちなんで、ウィッキング生地と呼ばれることがよくあります。

毛細管現象は薄層クロマトグラフィーで観察され、溶媒が毛細管現象によってプレートを垂直に移動します。この場合、細孔は非常に小さな粒子間の隙間です。

毛細管現象により、ペン内部のインクタンクまたはカートリッジから 万年筆のペ​​ン先の先端にインクが引き寄せられます。

水銀とガラスなどの一部の物質の組み合わせでは、液体内の 分子間力が固体と液体間の分子間力を上回るため、凸状のメニスカスが形成され、毛細管現象が逆に働きます。

水文学では、毛細管現象は水分子が土壌粒子に引き寄せられる現象を指します。毛細管現象は、地下水を土壌の湿った部分から乾燥した部分へ移動させる役割を果たします。土壌電位( )の差が土壌の毛細管現象を引き起こします。 ${\displaystyle \Psi_{m}}$

毛細管現象の実用的応用として、毛細管現象サイフォンがある。この装置は、中空のチューブを使用する代わりに（ほとんどのサイフォンのように）、繊維質の材料でできた長いコード（綿のコードや紐が適している）で構成されている。コードを水で飽和させた後、（重りの付いた）一方の端を水で満たされた貯水槽に入れ、もう一方の端を受容器に入れる。貯水槽は受容器よりも高くなければならない。^[23]類似しているが簡略化された毛細管現象サイフォンは、表面が親水性で、その間の狭い溝を水が濡らすことができる2本のフック形のステンレス鋼棒のみで構成されている。^[24]毛細管現象と重力により、水は貯水槽から受容器にゆっくりと移動する。この単純な装置は、誰も家にいないときに観葉植物に水をやるのに使用できる。この特性は、蒸気機関車の潤滑にも利用されている。梳毛ウールの芯を使用して、貯水槽からベアリングにつながる送出パイプに油を引き込む。^[25]

毛細管現象は多くの植物に見られ、蒸散に関与している。水は枝分かれによって樹木の高いところまで運ばれ、葉で蒸発して減圧を起こす。おそらく根に浸透圧が加わることで起こる。また、特に空中根で湿気を集める場合は、植物内の他の場所でも起こる可能性がある。^{[26] [27] [28]}

毛細管現象による水分の吸収は、 Ligia exotica ^[29]やMoloch horridus ^[30]などの小動物で報告されています。

液柱の高さhはジュリンの法則^{[31]によって与えられる。}

${\displaystyle h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}},}$

ここで、は液体-空気表面張力（力/単位長さ）、θは接触角、ρは液体の密度（質量/体積）、gは重力による局所加速度（長さ/時間の2乗^[32]）、rはチューブの半径です。 ${\displaystyle \scriptstyle \gamma}$

分母に rがあるため、液体が移動できる空間が薄ければ薄いほど、液体はより高く上がります。同様に、液体が軽くなり、重力が低くなると、柱の高さが高くなります。

標準的な実験室条件における空気中の水で満たされたガラス管の場合、γ = 0.0728 N/m（20  °C）、 ρ = 1000 kg/m ³、g = 9.81 m/s ²です。水はきれいなガラス上で広がるため、有効な平衡接触角はほぼゼロです。^{[引用が必要]}これらの値の場合、水柱の高さは

${\displaystyle h\approx {{1.48\times 10^{-5}\ {\mbox{m}}^{2}} \over r}.}$

したがって、上記の実験室条件では、半径 2 m (6.6 フィート) のガラス管の場合、水は目に見えないほどの 0.007 mm (0.00028 インチ) 上昇します。ただし、半径 2 cm (0.79 インチ) の管の場合、水は 0.7 mm (0.028 インチ) 上昇し、半径 0.2 mm (0.0079 インチ) の管の場合、水は 70 mm (2.8 インチ) 上昇します。

層の厚さ ( d ) と隆起の高さ ( h )の積は一定 ( d · h  = 一定 ) であり、2 つの量は反比例します。平面間の液体の表面は双曲線です。

• 2枚のガラス板の間の水
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乾燥した多孔質媒体が液体と接触すると、時間の経過とともに減少する速度で液体を吸収します。蒸発を考慮すると、液体の浸透は温度、湿度、透過性のパラメータに依存した限界に達します。このプロセスは蒸発制限毛細管浸透として知られており^{[22] 、紙への液体の吸収やコンクリートや石積みの壁の湿気上昇など、一般的な状況で広く観察されています。断面積}Aの棒状の材料片が片端で濡れている場合、時間t後の吸収された液体の累積体積Vは

${\displaystyle V=AS{\sqrt {t}},}$

ここでSは媒体の吸着係数であり、単位はm·s ^−1/2またはmm·min ^−1/2である。この時間依存 性 は、毛細管や多孔質媒体におけるウィッキングに関するウォッシュバーンの式に似ている。 ^[33]

${\displaystyle i={\frac {V}{A}}}$

は、長さの次元を持つ累積液体吸収量と呼ばれる。棒の濡れ長さ、つまり棒の濡れ端といわゆる濡れ前線との間の距離は、空隙が占める体積の割合fに依存する。この数値fは媒体の 多孔度であり、濡れ長さは

${\displaystyle x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.}$

一部の著者はS/fという量を吸着係数として用いている。^[34]

上記の説明は、重力と蒸発が影響しない場合のものです。

吸着性は上昇する湿気の量に影響を与えるため、建築材料の重要な特性です。建築材料の吸着性のいくつかの値が下の表に示されています。

• 結合数 – 流体力学における無次元数リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 結合水 – 鉱物の表面を囲む薄い水の層。
• 毛細管現象 – 毛細管現象によって地下水が地下水面からしみ出す地下層
• 毛細管圧 – 流体と管壁の間の力による2つの流体間の圧力
• 毛細管波 – 表面張力によって支配される流体表面の波
• 毛細管橋 – 2つの濡れた物体をつなぐ液体の表面積が最小化される
• 防湿 – 建築工事における湿気対策の種類
• ダルシーの法則 – 多孔質媒体を通る流体の流れを記述する方程式
• フロストフラワー – 植物から押し出された薄い氷の層
• 凍上 – 凍結中に土壌が上向きに膨らむこと
• ヒンドゥー教のミルクの奇跡 – 1995 年の奇跡とされる事件リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• クロウモデル
• ポロシメトリー – 材料の多孔度の測定と特性評価
• 針氷 – 液体の地下水が凍った空気中に上昇して形成される氷柱
• 表面張力 – 液体の表面が収縮して表面積を減らそうとする傾向
• ウォッシュバーンの式 – 毛細管への液体の浸透長さを時間とともに表す式
• ヤング・ラプラス方程式 – 流体力学における界面上の圧力差の記述

ウィキメディア・コモンズには、毛細管現象に関連するメディアがあります。

• ド・ジェンヌ、ピエール・ジル。フランソワーズ・ブロシャール・ワイアート。ケレ、デヴィッド (2004)。毛細管現象と湿潤現象。スプリンガーニューヨーク。土井：10.1007/978-0-387-21656-0。ISBN 978-1-4419-1833-8。