シャボン玉

シャボン玉（一般的には単にバブルと呼ばれる）は、空気を含んだ石鹸または洗剤と水の非常に薄い膜で、表面が虹色に輝く中空の球体を形成します。シャボン玉は通常、自然に、または他の物体に接触して破裂するまで、わずか数秒しか持続しません。シャボン玉は子供の遊びによく使用されますが、芸術的なパフォーマンスにも使用されます。多くの泡を集めると、泡になります。

光が泡に当たると、色が変わるように見えます。虹に見られる色は差屈折によって生じますが、シャボン玉に見られる色は、薄い石鹸膜の前面と背面で反射する光波の干渉によって生じます。膜の厚さによって、異なる色が建設的または破壊的に干渉します。

シャボン玉は、極小曲面という複雑な数学的問題の物理的な例です。シャボン玉は、与えられた体積を含む表面積が可能な限り最小の形をとります。真の極小曲面は、両側に等しい圧力がかかり、平均曲率がゼロの表面になるシャボン玉の膜によってより適切に説明されます。シャボン玉は閉じたシャボン玉の膜です。つまり、外圧と内圧の差により、平均曲率が一定の表面になります。

球形のシャボン玉が与えられた体積の空気を最も面積の小さい状態で包み込む方法であることは1884年から知られていましたが（HAシュワルツの定理）、2つのシャボン玉を合わせたものが、大きさの異なる2つの与えられた体積の空気を最も面積の小さい状態で包み込む最適な方法であることが証明されたのは2000年になってからでした。これは二重泡予想と呼ばれています。^[1]

これらの特性のため、シャボン玉フィルムは実用的な問題解決アプリケーションに使用されてきました。構造エンジニアの フライ・オットーは、シャボン玉フィルムを使用して、いくつかの点の間に広がる最小表面積のシートの形状を決定し、この形状を革新的な張力屋根構造に変換しました。^[2]有名な例は、モントリオールで開催された万博67での彼の西ドイツ館です。

石鹸膜が作る構造は、球体として囲むだけでなく、ワイヤーフレームなど、事実上あらゆる形状にすることができます。したがって、さまざまな極小面を設計できます。実際には、数学的モデリングで計算するよりも、物理的に作成する方が簡単な場合があります。これが、石鹸膜が、システムの複雑さに応じて、従来のコンピューターよりも優れた性能を発揮するアナログコンピューターであると考えられる理由です。^{[3] [4] [5]}

2 つの気泡が合体すると、それぞれの気泡が取り囲む空気の体積に合わせて、表面積の合計が可能な限り小さくなる形状をとります。気泡の大きさが同じであれば、共通の壁は平らです。大きさが異なる場合は、ヤング・ラプラス方程式で予測されるように、小さい気泡の方が大きい気泡よりも内部圧力が高いため、共通の壁は大きい気泡の方に 膨らみます。

3 つ以上の気泡が出会う地点では、気泡は 3 つの気泡壁だけが一直線上で出会うように並び替えられます。3 つの表面のそれぞれで表面張力は同じなので、それらの間の 3 つの角度は 120° に等しくなければなりません。1 点で出会うことができる気泡壁は 4 つだけであり、3 つの気泡壁が出会う線は cos ^{−1 (−1/3) ≈ 109.47° 離れています。}プラトーの法則として知られるこれらのルールはすべて、泡からフォームがどのように構築されるかを決定します。

シャボン玉の寿命は、シャボン玉の表面を構成する非常に薄い水の層、つまり厚さ 1マイクロメートルのシャボン玉の膜の破裂しやすさによって制限されます。そのため、シャボン玉は以下のことに敏感です。

• 石鹸膜内の排水: 水は重力により下に落ちます。グリセロールを加えるなどして水の粘度を上げると、この流れを遅くすることができます。それでも、毛細管の長さという究極の高さの限界があり、石鹸の泡の場合、毛細管の長さは非常に長く、約 13 フィート (4 メートル) です。原理的には、到達できる長さに制限はありません。
• 蒸発: 湿った雰囲気の中で泡を吹き込んだり、水に砂糖を加えたりすることで蒸発を遅らせることができます。
• 汚れと油分: 泡が物体に触れると、通常は石鹸膜が破れます。表面を水 (できれば石鹸を少し含ませたもの) で濡らすことで、これを防ぐことができます。

実験の結果、研究者たちは以下の成分を含む溶液を発見しました。

• 85.9 % 水
• グリセロール10%
• 4%食器用洗剤
• グアーガム0.1%

マランゴニ効果を最小限に抑えたため、最も長期的な効果が得られました。^[6]

シャボン玉が固体または液体の表面と接触すると、濡れが観察されます。固体表面では、泡の接触角は固体の表面エネルギーに依存します。 ^{[7] [8]}シャボン玉は、親水性表面よりも超疎水性を示す固体表面上でより大きな接触角を持ちます -濡れを参照してください。液体表面では、シャボン玉の接触角はそのサイズに依存し、泡が小さいほど接触角は低くなります。^{[9] [10]}

• 
  超疎水性表面を濡らすシャボン玉
• 
  液体の表面を濡らすシャボン玉

泡の中のガスは、ほとんどが水蒸気なので、空気よりも密度が低くなります。水蒸気は、水分子が蒸発したときに形成されるガスです。水分子が蒸発すると、液体の状態から抜け出してガス状態になります。ガス状態では、水分子は液体の状態よりも離れています。これは、水分子が互いに引き合うためです。水分子は蒸発すると、この引力から解放され、さらに離れていきます。

水分子が離れているほど、密度は低くなります。これが、水蒸気が空気よりも密度が低い理由です。泡の中のガスはほとんどが水蒸気なので、これも空気よりも密度が低くなります。

気体の密度は温度によっても左右されます。気体の温度が上昇すると、気体の分子の動きが速くなります。これにより、分子は広がり、密度が低くなります。逆もまた真なりです。気体の温度が下がると、気体の分子の動きが遅くなります。これにより、分子は集まり、密度が高くなります。

泡の中のガスの温度は、その周囲の水の温度によって影響を受けます。水が温かいほど、泡の中のガスも温かくなります。つまり、水が温かい場合、泡の中のガスの密度は水が冷たい場合よりも低くなります。

シャボン玉は少なくとも400年もの間娯楽として使われてきました。17世紀のフランドル絵画には、粘土のパイプでシャボン玉を吹く子供たちが描かれています。ロンドンに拠点を置くA.&F.ピアーズ社は、1886年にジョン・エヴァレット・ミレーのシャボン玉で遊ぶ子供の絵を使って、自社の石鹸の有名な広告キャンペーンを展開しました。シカゴの会社ケムトイは1940年代にシャボン玉液を販売し始め、それ以来シャボン玉液は子供たちに人気があります。ある業界の推定によると、小売店は年間約2億本を販売しています。水とグリセリンや砂糖などの追加成分を加えた食器用洗剤は、既製のシャボン玉液の代わりとして人気があります。^[11]

• 
  小さな棒でシャボン玉を吹く
• 
  長いシャボン玉棒でシャボン玉を作っている女性
• 
  アドリアン・ハンネマン「泡を吹く二人の少年」（ 1630年頃）
• 
  ジャン＝バティスト＝シメオン・シャルダン、シャボン玉（ 1734年頃）

シャボン玉は透明な空気を含んだ透明な水でできています。しかし、シャボン玉の膜は可視光線の波長と同じくらい薄いため、光学干渉が起こります。これが虹彩のような輝きを生み出し、シャボン玉の球形や脆さも相まって、子供にも大人にも同様に魔法のような効果をもたらします。それぞれの色はシャボン玉の膜の厚さの違いによって生まれます。トム・ノディ（マーカス・デュ・ソートイの「ザ・コード」の第2話に出演）は、シャボン玉の表面の等高線図を見るという例え話をしました。しかし、人工的に色をつけたシャボン玉を作るのは困難になっています。

バイロン、メロディ、エノック・スウェットランドは、紫外線の下で光る特許取得済みの無毒のシャボン玉（テクノ・バブル）^[12]を発明した。このシャボン玉は、通常の照明の下では普通の高品質の「透明」なシャボン玉のように見えるが、真の紫外線にさらされると光る。紫外線が明るいほど、シャボン玉も明るく光る。一家は世界中でシャボン玉を販売したが、その後会社は売却した。

泡の混合物に色付きの染料を加えると、染料が界面活性剤ではなく水分子に付着するため、色のついた泡は生成されません。したがって、染料が底の点に落ち、無色の泡が生成されます。染料化学者の ラム・サブニス博士は、界面活性剤に付着して明るい色の泡を形成できるラクトン染料を開発しました。クリスタルバイオレットラクトンはその一例です。ティム・キーホーという別の男性は、圧力や酸素にさらされると色を失う色付きの泡を発明し、現在、無毒で汚れのない「Zubbles」としてオンラインで販売しています。2010年、日本の宇宙飛行士山崎直子は、微小重力下で色付きの泡を生成できることを実証しました。その理由は、低重力環境では水分子が泡の周りに均等に広がるためです。

シャボン玉を−15℃（5℉）以下の 空気中 に吹き出すと、表面に触れると凍ります。内部の空気は徐々に拡散し、シャボン玉は自重で崩れていきます。−25℃（−13 ℉）以下の温度では、シャボン玉は空気中で凍り、地面に当たると砕け散ることがあります。暖かい空気でシャボン玉を吹き出すと、最初はほぼ完全な球体に凍りますが、暖かい空気が冷えて体積が減ると、シャボン玉が部分的につぶれます。この低温でうまく作られたシャボン玉は常にかなり小さく、すぐに凍り、さらに大きくなると砕け散ってしまいます。^[13] 小さなシャボン玉は、雪の上に置いた後2秒以内に凍ります（気温が約−10...−14℃の場合）。^[14]

シャボン玉パフォーマンスは、エンターテインメントと芸術的達成を組み合わせたものです。高度な技術が必要です。^[要出典]パフォーマーの中には、一般的に市販されているシャボン玉液を使用する人もいれば、独自の溶液を作る人もいます。アーティストの中には、物体や人間を包み込む巨大なシャボン玉やチューブを作る人もいます。立方体、四面体、その他の形状や形態を形成するシャボン玉を作る人もいます。シャボン玉は素手で扱うこともあります。視覚的な体験を増すために、煙、蒸気、ヘリウムを詰めてレーザー光や火と組み合わせることもあります。シャボン玉に天然ガスなどの可燃性ガスを詰めて点火することもあります。

プロのバブルアーティストには、Tom Noddy、Fan Yang、The Amazing Bubble Manなどがいます。

シャボン玉は、幼い子供にさえ、さまざまな概念を教えたり探究したりするために効果的に使用できます。柔軟性、色の形成、反射または鏡面、凹面と凸面、透明性、さまざまな形状（円、正方形、三角形、球、立方体、四面体、六角形）、弾性特性、サイズの比較、およびこのページに記載されているシャボン玉のより難解な特性。シャボン玉は、2歳から大学時代までの概念の指導に役立ちます。スイスの大学教授であるナタリー・ハーツェル博士は、人工シャボン玉を幼い子供の娯楽目的で使用すると、子供の脳の運動能力を制御し、協調を司る領域に良い影響が見られ、幼い頃にシャボン玉に触れた子供は、そうでない子供よりも明らかに優れた運動能力を示したという理論を立てました。^[15]

• 反バブル
• バブルパイプ
• フォーム
• ジョセフ・プラトー
• ストレッチグリッド法
• トム・ノディ
• 驚異のバブルマン
• ウィア・フェラン構造

• オプレア、ジョン（2000年）。『ソープフィルムの数学 - メイプルによる探究』アメリカ数学会（第1版）。ISBN 0-8218-2118-0 
• Boys, CV (1890) Soap-Bubbles and the Forces that Mould Them ; (Dover 再版) ISBN 0-486-20542-8。もともと「少年の聴衆の前で」行われた一連の講義に基づいた、古典的なビクトリア朝の解説。 
• アイゼンバーグ、シリル（1992）「石鹸膜と石鹸の泡の科学」、（ドーバー）ISBN 0-486-26960-4。 
• ノディ、トム (1982)「トム・ノディのバブルマジック」 バブルパフォーマーの先駆者による解説が現代のパフォーマンスアートを生み出しました。
• スタイン、デイビッド (2005)「巨大で、信じられないほど大きな泡の作り方」 (Klutz) 以前は「信じられないほど大きな泡の本」(1987) で、巨大泡スポーツの始まりでした。ISBN 978-1-57054-257-2 

ウィキメディア・コモンズには、シャボン玉に関連するメディアがあります。

• 国際的に受賞歴のあるバブルショー
• 写真芸術作品を作成するための泡のマクロ写真のギャラリー
• 泡と液滴の相互作用のビデオ
• より詳しい科学的説明
• シャボン玉や巨大シャボン玉を使ったパフォーマンス