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あわ

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
液体えきたい空気くうきふくんでまるくなったれい せんじれたてのコーヒー表面ひょうめんあわ

あわ(あわ、あぶく、えい: foambubble)は、気体きたい分散ぶんさんしょうとし、液体えきたい(あるいは固体こたい)を連続れんぞくしょうとする性状せいじょう物体ぶったい[1]液体えきたいもしくは固体こたいなか空気くうきなどの気体きたいふくんだものである。あわ典型てんけいれいシャボンだまビールあわがある[2]

あわ種類しゅるい

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あわには気泡きほう(Micro-foamまたはBubble)と泡沫うたかた(Macro-foamまたはFoams)がある[2][3]気泡きほうとは、液体えきたいちゅうもしくは固体こたいちゅうにある気体きたい粒子りゅうしをいう[3]泡沫うたかた多数たすう気泡きほうえきめん浮上ふじょうしてかたまり形成けいせいしたもの[3]多数たすう薄膜うすまくへだてて密集みっしゅうしているもの[2])をいう。気泡きほうひとつの界面かいめん一層いっそう界面かいめん活性かっせいざいそう)からなるのにたいし、泡沫うたかたふたつの界面かいめんそう界面かいめん活性かっせいざいそう)からなる[2][3]

また、構成こうせい気泡きほうあいだあわまく種類しゅるいにより、液体えきたい泡沫うたかた(ビール、石鹸せっけんあわ消火しょうかざいなど)、弾性だんせい泡沫うたかた(フォームラバー、樹脂じゅしスポンジ、マシュマロパンなど)、固体こたい泡沫うたかた気泡きほうコンクリート、あわガラス、軽石かるいし木炭もくたんビスケットなど)にけられる[4]

構造こうぞう

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おおくの場合ばあいにおいて、ひとつの'あわかたまり'(えい: foam)は、'尺度しゃくどけい'(えい: multi-scale system)である。

浮表めんあわかたまりにおけるあわつぶのそろいかた。

ひとつの尺度しゃくどは'あわつぶ'(えい: bubble)である:材料ざいりょうあわかたまりはたいていぞろいでありそしてあわつぶおおきさがまちまちである。巨視的きょしてきには、理想りそうされたあわかたまり研究けんきゅうは、極小きょくしょう曲面きょくめんと、空間くうかん充填じゅうてんともばれるさん次元じげん充填じゅうてん数学すうがくてき問題もんだい密接みっせつ関連かんれんする。プラトーの法則ほうそく石鹸せっけんまく英語えいご: soap filmsがいかにあわかたまりにおいて形成けいせいされるかを記述きじゅつするなかで、ウィア=フェラン構造こうぞう完全かんぜんにそろったあわかたまりのもっとも可能かのうな(最適さいてきの)単位たんいかんがえられる[5]

あわつぶよりもちいさな尺度しゃくどでは、まくそう英語えいごばんえい: lamella)とばれるつなぎわされたまくのネットワークをかんがえることのできる、じゅん安定あんてい状態じょうたいあわかたまりにおけるそのまくあつみである。理想りそうてきには、プラトー境界きょうかいとしてられる、その結合けつごうてんにおいて120°の角度かくどまくそうりょうごうする。

さらにひく尺度しゃくどまく表面ひょうめんえき界面かいめんである。ほとんどの場合ばあいこの界面かいめんは、しばしば界面かいめん活性かっせいざい、(ラムスデン乳剤にゅうざいの)粒子りゅうし、またはもっと複雑ふくざつ結合けつごうによってできた両親りょうしんなかだちせい分子ぶんし構造こうぞうそうにより安定あんていされる。

固体こたいあわかたまり力学りきがくてき性質せいしつ

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ひらき細胞さいぼうまたは閉細胞さいぼうの、固体こたいあわ隗は、細胞さいぼう構造こうぞう部類ぶるいとしてかんがえられる。これらはしばしば'はち構造こうぞう'(えい: honeycomb)や'トラス格子こうし'(えい: truss lattice )のようなほかの細胞さいぼう構造こうぞう比較ひかくされる、下位かい接点せってん結合けつごうゆうする、したがって、それらの崩壊ほうかい機構きこう部材ぶざいきょくげによってこされる、てい接点せってん結合けつごう崩壊ほうかい機構きこう結果けっか終局しゅうきょくてきに、それらの下位かい機械きかいてき強度きょうどと、はち構造こうぞうとトラス格子こうし比較ひかくされる剛性ごうせいみちび[6]

たま塑性そせいあわかたまり

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あわ隗のような、たま塑性そせい細胞さいぼう固体こたい圧縮あっしゅくされ、最初さいしょ細胞さいぼうかべがるようにして弾性だんせいてき挙動きょどうし、その細胞さいぼうかべるにつれ、細胞さいぼうかべ一緒いっしょこわれる材料ざいりょうてき崩壊ほうかいまでの終局しゅうきょくの、そのときまで材料ざいりょうとしての強度きょうど低下ていか降伏ごうぶくがある[7]。これらは、きゅう勾配こうばい線形せんけい弾性だんせい領域りょういき降伏ごうぶく高原こうげん応力おうりょくの'なだらかな'(えい: shallow領域りょういき、および指数しすうてき増大ぞうだいする領域りょういきのような、'応力おうりょく歪曲わいきょくせん'(えい: stress-strain curve)においてみられる。ひらき細胞さいぼうあわかたまりについての係数けいすうつぎ方程式ほうていしきによって定義ていぎされる、線形せんけい弾性だんせい領域りょういきにおいて材料ざいりょうの'剛性ごうせい'(えい: stiffness)が計算けいさんできる:

線形せんけい弾性だんせい細胞さいぼうかべ降伏ごうぶく、および細胞さいぼうかべ崩壊ほうかいのものである、だん塑性そせいあわかたまり図式ずしきてき応力おうりょく歪曲わいきょくせん単位たんい体積たいせきあたりのエネルギー割合わりあい記述きじゅつする曲線きょくせんにおける領域りょういきでは、あわかたまりはエネルギーを吸収きゅうしゅうする。

ここに固体こたい構成こうせい要素ようそ係数けいすうはち構造こうぞう係数けいすうは1にちかをとる定数ていすうはち構造こうぞう密度みつど、および固体こたい密度みつどである。

あわ生成せいせい消滅しょうめつ

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発泡はっぽうおこりあわ機構きこう

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あわ各種かくしゅ界面かいめん活性かっせい物質ぶっしつまたは界面かいめん活性かっせいざいえき界面かいめんへの吸着きゅうちゃくによってしょうじる[2]工業こうぎょうじょう混和こんわざいもちいられるが、混和こんわざいには界面かいめん活性かっせい作用さようにより気泡きほう物理ぶつりてき導入どうにゅうするおこりあわざいと、化学かがくてき反応はんのう利用りようする発泡はっぽうざいがある[4]

圧力あつりょく温度おんど変化へんかによるあわ
液体えきたいにかかる圧力あつりょく低下ていかさせたり、温度おんど上昇じょうしょうさせたりすると、液体えきたいんだ気体きたいあわとなって放出ほうしゅつされる。さらに圧力あつりょく低下ていかさせたり、温度おんど上昇じょうしょうさせると、液体えきたい自体じたい沸騰ふっとうしてあわ発生はっせいさせる。
化学かがく反応はんのうによるあわ
液体えきたいちゅう気体きたい発生はっせいさせるような化学かがく反応はんのうこすと、比重ひじゅうちいさい気体きたい上昇じょうしょうする過程かていあわ発生はっせいする。料理りょうりにおいては重曹じゅうそうがこの目的もくてきもちいられる。また、アルコール発酵はっこう気泡きほうしょうじさせるが、たとえばパンのように、それをむしろ利用りようするれいもある。
機械きかいてき操作そうさによるあわ
攪拌泡立あわだなどで液体えきたいを攪拌することによって、空気くうきあわかたち液体えきたいむ。あるいは、液体えきたいちゅう気体きたいむことでつくる。空中くうちゅうつくればシャボンだまになる。

物質ぶっしつ泡立あわだちやすさをおこりあわりょくという[2]おこりあわりょく一般いっぱんには単位たんい液体えきたい体積たいせきからられるあわ体積たいせきあらわされる[1]。また、あわえにくさを安定あんていせい安定あんてい)という[2][3]あわ安定あんていせいには泡沫うたかたないにあるうすあわまく(ラメラ)のねば弾性だんせい関与かんよしており、液体えきたいねばたびたかくなるほどあわ安定あんていする[3]あわまく構成こうせいする液体えきたいまくない重力じゅうりょく作用さよう流下りゅうかしようとする現象げんしょうはいえきというが、はいえきまくうす不安定ふあんていさせるため、はいえき防止ぼうしすることもあわ安定あんていさせることになる[4]

しょうあわやぶあわそもそもあわ機構きこう

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しょうあわあるいはあわし(Deforming)はやぶあわ(Foambreaking)とそもそもあわ(Antiforming)に大別たいべつされる[2]やぶあわすでにある泡沫うたかたやぶあわざいなどをくわえてあわ破壊はかいすることをいう[2]そもそもあわあらかじそもそもあわざい添加てんかするなどして泡立あわだちを防止ぼうしすることをいう[2]

あわ形状けいじょう挙動きょどう

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えきちゅうにおける気泡きほう形状けいじょうはそのおおきさによって以下いかのようにわる[8]

  • 1mm以下いか気泡きほうはほぼ球形きゅうけい
  • かずmm程度ていどになると上昇じょうしょう方向ほうこう扁平へんぺいになり、たんじく回転かいてんじくとする回転かいてん楕円だえんたいじょうになる。
  • さらにおおきくなるとキノコじょうになり形状けいじょう不安定ふあんていになる。

また、比較的ひかくてきちいさな気泡きほうはほぼ直線ちょくせんてき上昇じょうしょう運動うんどうするが、ある程度ていどおおきくなると螺旋らせんじょう上昇じょうしょうし、さらにおおきくなると不規則ふきそく振動しんどうをしながら上昇じょうしょうする。

安定あんていせい

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不安定ふあんてい

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えきあつこうするあわつぶ

ビトルド・リブジンスキー(えい: Witold Rybczynski )とジャック・アダマール(えい: Jacques Hadamard)は、あわつぶえい: bubble)の表面ひょうめん半径はんけいであるという仮定かていのもとで、あわかたまりえい: foam)のなか上昇じょうしょうするあわつぶ速度そくど計算けいさんする方程式ほうていしき展開てんかいした。cm/sの単位たんい速度そくど

である。じゅん気体きたい液体えきたいのg/cm3単位たんい密度みつどじゅん気体きたい液体えきたいのg/cm·sの単位たんいねばたびえい: dynamic viscosity)であり、 はcm/s2単位たんい重力じゅうりょく加速度かそくどである。

しかし、液体えきたい密度みつど粘性ねんせい気体きたいのそれよりもとてもおおきければ、気体きたい密度みつど粘性ねんせい無視むしでき、この場合ばあい上昇じょうしょうするあわつぶについてのあらたな方程式ほうていしきつぎのようである:

しかし、あわつぶ上昇じょうしょうについてのより精確せいかくなモデルがしめされてきた実験じっけんによれば

である。

自然しぜんかいにおけるあわ

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水面すいめんあわは、ふうによる水面すいめん攪乱かくらんなみ)やはげしい水流すいりゅう潮流ちょうりゅうたきつぼなど)によってしょうじる。

このほか、水中すいちゅう水底みなそこ有機物ゆうきぶつから発生はっせいした腐敗ふはいガスや、水底みなそこ土中どちゅうめられていたメタンガスがあわ形成けいせいしたり[9]火山かざんなどによるたか地熱じねつみずたまりやどろたまり[10]マグマ[11]泡立あわだったりする現象げんしょうられる。

体液たいえき利用りようしてあわつくり、これを活用かつようしている生物せいぶつに、アサガオガイアワフキムシがある。たまごまもるためにあわつくれいもある。ベタなどは水面すいめんかぶあわそうたまごふくませ、モリアオガエルじょう体液たいえきをかきぜてつくったあわかたまりつくり、その内部ないぶ産卵さんらんする。

渓流けいりゅうにおいては、たきつぼなどにられるこまかいあわ堆積たいせきあわ採集さいしゅうし、顕微鏡けんびきょうした観察かんさつすると、ここに水中すいちゅう微小びしょう顆粒かりゅうらえられており、とく水生すいせい不完全ふかんぜんきん胞子ほうし多量たりょうられることがられている。せんもん研究けんきゅうしゃはよくこれを採集さいしゅう試料しりょうとしてもちい、ここから胞子ほうしひろして培養ばいようすることをこころみる。

産業さんぎょうじょうにおけるあわ

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あわ利用りよう

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浴室よくしつこまかく泡立あわだてたあわげる様子ようす
シャンプーこまかくあわだてて洗髪せんぱつ。よりちいさなあわ集合しゅうごうたいになるほど皮脂ひし吸着きゅうちゃくさせやすくなる

あわ工業こうぎょう分野ぶんや有効ゆうこう利用りようされるれいとして消火しょうか食品しょくひん工業こうぎょうなどがある[3]食品しょくひんれいとして植物しょくぶつ撹拌かくはんして気泡きほうふくませたホイップクリームがある。また、代表だいひょうてき工業こうぎょう製品せいひん発泡はっぽうスチロールがありポリスチレン樹脂じゅし発泡はっぽうさせることにより製造せいぞうされる。

にち用品ようひん各種かくしゅ洗剤せんざい洗浄せんじょうざいひげそりようシェーヴィングフォームなどにあわ製品せいひんがあるほか、機械きかい洗浄せんじょう工場こうじょう排水はいすい処理しょりといった工業こうぎょう用途ようとにも使つかわれる[12]

あわおおきさをこまかくすることで、実用じつようでの使つかみちはさらにひろがる。従来じゅうらいマイクロバブルナノバブル呼称こしょうされてきた。2017ねん6がつ国際こくさい標準ひょうじゅん機構きこう(ISO)は、直径ちょっけい100まんあわを「ファインバブル」と総称そうしょうし、1㎛以上いじょうを「マイクロバブル」、それ未満みまんを「ウルトラファインバブル」にける規格きかくめた。「ウルトラファインバブル」はブラウン運動うんどうにより、保存ほぞん方法ほうほうによってはすう年間ねんかんあわ浮上ふじょうせず液体えきたいちゅうにとどまることもある。

用途ようととしては前述ぜんじゅつのような洗浄せんじょうのほか、水揚みずあげしたさかな窒素ちっそあわすいれて鮮度せんど保持ほじしたり、酸素さんそあわすい農作物のうさくもつ食味しょくみくしたりみが日本にっぽんでは実際じっさいおこなわれている。関連かんれんする企業きぎょう団体だんたいによる一般いっぱん社団しゃだん法人ほうじんファインバブル産業さんぎょうかい設立せつりつされている[13]。ファインバブル産業さんぎょうかい推計すいけいによれば、ファインバブルの日本にっぽん国内こくない市場いちば規模きぼは2010ねん時点じてんで200おくえん[12]

このほか一般いっぱん社団しゃだん法人ほうじん 日本にっぽんマイクロ・ナノバブル学会がっかい活動かつどうしている[14]どう学会がっかい代表だいひょう理事りじ大平おおひらたけしによると、ナノバブルが植物しょくぶつ生育せいいくうなが理由りゆうは、あわ帯電たいでんせい葉緑素ようりょくそ増加ぞうかたすけるためとかんがえられ、水中すいちゅう溶存ようぞん酸素さんそによる効果こうかとはことなる。植物しょくぶつ品種ひんしゅにより適切てきせつ帯電たいでんせい帯電たいでんりつ濃度のうどことなるため、学会がっかいとしてマニュアルの作成さくせいすすめている[12]

あわ抑制よくせい

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あわ工業こうぎょう製品せいひんなどに影響えいきょうおよぼすこともある。

塗料とりょうではあわ混入こんにゅう塗料とりょう製造せいぞうちゅう障害しょうがいになるほか、塗装とそうやその乾燥かんそう塗膜とまく形成けいせい過程かていでの品質ひんしつ低下ていかなど様々さまざま不具合ふぐあいこすためけしあわざい使用しようなどの対策たいさくられる[3]

食品しょくひん工業こうぎょうでは豆腐とうふ製造せいぞう過程かていで、豆乳とうにゅう凝固ぎょうこざいにがり)をくわえ、凝固ぎょうこさせて豆腐とうふ製造せいぞうするさいに、あわ発生はっせいおさえるためのしょうあわざい添加てんかされている。

洗濯せんたくよう洗剤せんざいでは、洗濯せんたくそうからあわがあふれないように、あわ発生はっせいおさえている。

比喩ひゆ表現ひょうげん

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すぐにれてなくなるさまから、一時いちじてきブームバブル経済けいざいといった「はかなくえるもの」の比喩ひゆもちいられる。

関連かんれん作品さくひん

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脚注きゃくちゅう

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  1. ^ a b 田村たむら隆光たかみつおこりあわけしあわ試験しけんほう」『あぶら化学かがくだい42かんだい10ごう日本にっぽん学会がっかい、1993ねん、737-745ぺーじ 
  2. ^ a b c d e f g h i j しょう山内やまうちしゅういちあわ化学かがく」『オレオサイエンス』だい1かんだい8ごう日本にっぽん学会がっかい、2001ねん、737-745ぺーじ 
  3. ^ a b c d e f g h 青木あおき健二けんじあわ安定あんていけしあわ機構きこうかんする考察こうさつ」『塗料とりょう研究けんきゅうだい156ごう関西かんさいペイント、2014ねん、27-35ぺーじ 
  4. ^ a b c 阿久津あくつ兼二けんじおこりあわざい(アルミニウム粉末ふんまつふくむ)」『コンクリートジャーナル』だい8かんだい3ごう日本にっぽんコンクリートこう学会がっかい、1970ねん、40-44ぺーじ 
  5. ^ Morgan 2008
  6. ^ Kooistra, Deshpande & Wadley 2004; Queheillalt & Wadley 2005;
  7. ^ Courtney 2005
  8. ^ 浅野あさの康一やすいち物質ぶっしつ移動いどう基礎きそ応用おうよう丸善まるぜん、2004ねん、137ぺーじISBN 4-621-07356-7 
  9. ^ 動画どうが】アラスカのみずうみからメタンのあわ悪循環あくじゅんかんいま北極ほっきょく冷蔵庫れいぞうこひらきっぱなし」と研究けんきゅうしゃナショナルジオグラフィック日本にっぽんばんサイト(2016ねん9がつ5にち)2018ねん5がつ13にち閲覧えつらん
  10. ^ イエローストーン国立こくりつ公園こうえんの「Mudpots」アメリカ合衆国あめりかがっしゅうこく内務省ないむしょうナショナルパーク・サービス(2018ねん5がつ13にち閲覧えつらん)。
  11. ^ 「マグマの複雑ふくざつあわ構造こうぞう火山かざん爆発ばくはつてき噴火ふんかうながすことを解明かいめい東北大学とうほくだいがく(2017ねん12月4にち)2018ねん5がつ13にち閲覧えつらん
  12. ^ a b c 「マイクロ・ナノバブルすい微細びさいあわ植物しょくぶつ活性かっせい 農業のうぎょう現場げんば浸透しんとう」『日本農業新聞にほんのうぎょうしんぶん』2020ねん1がつ13にち(18めん
  13. ^ 【サイエンスview】ちいさなあわおおきなちから国際こくさい規格きかく「0.1ミリ未満みまん」■鮮度せんど保持ほじよご洗浄せんじょう読売新聞よみうりしんぶん朝刊ちょうかん2018ねん4がつ29にち(くらしサイエンスめん)。
  14. ^ 一般いっぱん社団しゃだん法人ほうじん 日本にっぽんマイクロ・ナノバブル学会がっかい(2020ねん2がつ4にち閲覧えつらん

引用いんよう文献ぶんけん

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ウェブサイト

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  • Morgan, Frank (2008), Existence of Least-perimeter Partitions 

書籍しょせき

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  • Courtney, Thomas H. (2005) (English). Mechanical Behavior of Materials. Waveland Press, Inc. pp. 686-713. ISBN 1-57766-425-6 

雑誌ざっし

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  • Kooistra, Gregory W.; Deshpande, Vikram S.; Wadley, Haydn N.G. (August 2004). “Compressive behavior of age hardenable tetrahedral lattice truss structures made from aluminium”. Acta Materialia 52 (14): 4229–4237. 
  • Queheillalt, Douglas T.; Wadley, Haydn N.G. (January 2005). “Cellular metal lattices with hollow trusses”. Acta Materialia 53 (2): 303–313. 

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Bikerman, Jacob Joseph (1973). “ch. 2 Formation and Structure”. Foams. New York: Springer-Verlag. ISBN 0387061088 
  • Wilson, Ashley J. (1989). “ch. 1 Principles of Foam Formation and Stability” (English). Foams: physics, chemistry, and structure. Springer series in applied bioloby. Springer-Verlag. ISBN 978-1-4471-3809-9 

関連かんれん項目こうもく

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