ホットチョコレート効果

ホットチョコレート効果は、カップに入った熱い液体を叩いたときに聞こえる音の高さが、可溶性粉末を加えると上がるという波動力学の現象です。 ^{[1] [2]} この効果は、最初の攪拌時に、巻き込まれた気泡が液体内の音速を低下させ、周波数を下げるために発生すると考えられています。気泡が消えると、音は液体内を速く伝わり、周波数が増加します。

この効果は当初、インスタントコーヒーを淹れたりビールを注いだりするときに観察されましたが、過飽和状態の熱湯や冷たいビールに塩を加えるなどの他の状況でも発生します。最近の研究では、最初は過飽和状態ではなかった液体でも、この効果を生み出す物質がさらに多く発見されています。^[3]

この効果はナンシー・シュタイナーによって指摘された後、1980年にローレンス・バークレー国立研究所のフランク・クロフォードによって命名され、普及されましたが、この効果はそれ以前の数十年間に何度か報告されていました。^[4]

この効果は、マグカップに熱いミルクかお湯を注ぎ、チョコレートパウダーをかき混ぜ、スプーンでマグカップの底をたたくことで観察できます。たたく音程は、たたく速度や力とは関係なく、徐々に増加します。同じ溶液を（チョコレートパウダーを追加せずに）かき混ぜると、音程は再び徐々に低下し、その後再び増加します。このプロセスは、平衡に達するまで何度も繰り返すことができます。^[5]かき混ぜる動作の強さとタイミングをたたく動作のタイミングに合わせて変化させることで、音楽的な効果を得ることができます。^[6]

この現象は、気泡の密度が液体中の音速に与える影響によって説明されます。聞こえる音は定在波の周波数で、1/4波長はマグカップの底と液体の表面の間の距離です。この周波数f は、波の速度vを水柱の高さ h の 4 倍で 割った値に等しくなります。

${\displaystyle f={\frac {1}{4}}{\frac {v}{h}}}$

均質な液体または気体中の音速vは、ニュートン-ラプラスの式に従って、流体の質量密度 ( ) と断熱体積弾性率( ) に依存します。 ${\displaystyle \rho}$${\displaystyle K}$

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}}$

水の密度は空気の約 800 倍で、空気の圧縮性は水の約 15,000 倍です。(圧縮性は体積弾性率の逆数です。) 水が気泡で満たされている場合、流体の密度は水の密度に非常に近いままですが、圧縮性は空気の圧縮性になります。これにより、液体中の音速が大幅に低下します。波長は流体の特定の体積に対して一定であるため、音の周波数 (ピッチ) は気泡が存在する限り低下します。^[1]${\displaystyle K}$

気泡形成速度が異なると異なる音響プロファイルが生成され、添加された溶質を区別できるようになります。^{[3] [7] [8]}

• 広帯域音響共鳴溶解分光法は、この効果を基本原理として利用する分光技術です。

• インスタントコーヒーを入れたカップと入れていないカップの音: 泡入り音響デモンストレーション Andrew Morrison と Thomas D. Rossing、第 143 回 ASA 会議、ピッツバーグ。
• ホットチョコレート効果のビデオデモンストレーション