普通の水では、人間はかろうじて浮く。しかし、『ストレンジャー・シングス』の子供たちは、その回避策を知っている。
ネットフリックス
ストレンジャー・シングスをご覧になった方もいらっしゃるかもしれませんが、そうでない方もいらっしゃるかもしれません。私はご覧になって、素晴らしい作品だと思いました。科学的な要素がたくさんあるからというだけではありません。ご安心ください。多重宇宙や量子トンネル効果について話すつもりはありません。その代わりに、塩についてお話しします。
ちょっとしたネタバレ注意（でも、本当のネタバレではありません）：シーズン1で、ストレンジャー・シングスの子供たちは即席の感覚遮断タンクを作る必要があります。この「タンク」に必要なのは、人が簡単に浮くくらいの水を入れた子供用プールです。もちろん、普通の水では人間はかろうじて浮かびます。この問題を解決するために、彼らは大量の塩を加えて液体の密度を高め、人間が浮けるようにします。クラーク先生（彼らの理科の先生）によると、必要な塩の量は1,500ポンド（約640kg）だそうです。
しかし、彼は正しかったのでしょうか？科学的な観点から見てみましょう。
浮遊と密度
なぜ物体は浮くのでしょうか？物体が水面（あるいは液体）で静止している場合、その物体にかかる力はゼロです。もちろん、重力によって下向きに引っ張られる力があるので、同じ大きさの別の力によって上向きに押される力も働いているはずです。その力が浮力です。では、どのように作用するのでしょうか？まずは例を見てみましょう。
ここに水に浮かぶ水の塊があります。そうです、水は浮くのです。
この図では、黄色の矢印は、この浮いている水塊を押している残りの水を表しています。水は水塊をあらゆる方向から押しており、この力は深さとともに増大します。側面からの水からの力は相殺される必要があることに注意してください（両者は釣り合っているため）。しかし、下から押し上げる力は上から押し下げる力よりも大きいです。しかし、水塊は浮いているため、上向きの浮力は下向きの重力と等しくなければなりません。
今度は、水の塊を別のものに置き換えてみましょう。形が全く同じであれば、その素材は問いません。大きさが全く同じであれば、同じ浮力がかかります。もし水の塊が鋼鉄でできていたとしたら、上向きの浮力は下向きの重力よりも小さくなるため、鋼鉄は浮くのではなく沈んでしまいます。しかし、浮力は依然として存在します。水の塊は浮くので、この浮力の大きさは、その物体が押しのけた水の重さと等しくなければなりません。これがアルキメデスの原理です。
押しのけられた水の重さは、物体の体積、液体の密度（物理学者はギリシャ文字のρを使います）、そして重力場の値gの3つの要素によって決まります。これらをすべてまとめると、浮力は次のように表すことができます。
でも待ってください！もし物体が完全に水没していなかったらどうなるでしょうか？もしその物体が木のブロックだったり、イレブンという女の子だったらどうでしょう？もし物体の重さが押しのけた水の重さよりも小さければ、浮力の方が大きくなり、ブロックは押し上げられます。ブロックは水面から一部が出てくるまで上昇し続けます。水面から出ている部分は浮力を生み出さないので、最終的にはブロックの一部が水中に、一部が水面上に出た状態で平衡状態に達します。
水面上に突き出ているブロックの割合は、物体の密度と水の密度という2つの要素に依存します。簡単な例を見てみましょう。密度ρ bの木のブロックが、密度ρ wの水の中にあるとします。単純化のために、これは長さLの立方体ブロックです。このブロックは、おそらくこのように見えます。
ブロックの重さは、押しのけた水の重さと等しくなければならないことを覚えておいてください。そこで、まずブロックの重さから始めます。密度が分かっているので、質量（つまり重さ）はρ b (L 3 )g として求められます。これは、押しのけた水の重さ、ρ w (L 2 d)gと等しくなるはずです。ここで、d はブロックが水中にある深さです。多くの要素が打ち消されて、以下の式が得られることに注意してください。
つまり、ブロックが水面からどれだけ浮くかは、物体と液体の密度の比によって決まります。物体の密度が水と同じであれば、水面上に何も突き出ることなく浮かびます。物体の密度が水の半分であれば、物体は水面上に突き出ます。
これはクラーク氏が水に加える塩の量を推定するために用いた考え方です。感覚遮断実験では、水の密度を人間の密度よりもはるかに高くする必要があります。
どれくらいの塩が必要ですか?
水の密度は1立方メートルあたり1,000キログラムです。クールに言いたくないなら、1立方センチメートルあたり1グラムと言ってもいいでしょう。でも、信じてください。クールな人たちはみんなkg/m 3という単位を使います。では、人間の密度はどうでしょうか？人によって異なりますが、通常は1,000 kg/m 3より少し低く、ほとんどの人は浮く程度です。もちろん、人間は肺の状態によって浮いたり沈んだりします。深く息を吸い込むと肺が大きくなり、密度が下がります。肺の中の空気をすべて吐き出すと、沈むはずです。
普通の人間は呼吸をします。つまり、浮いたり沈んだりを繰り返す可能性があるということです。そうなると、サイオニックパワーを使って他の人を見つけることに集中するのが難しくなります（イレブンのように）。密度の高い液体、例えば塩水が必要です。ご存知かもしれませんが、淡水の湖よりも海（塩水）の方が浮かびやすいのです。
つまり、水に塩を加えると密度が上がり、うまくいけば人は簡単に浮くようになるということです。でもちょっと待ってください。水に塩を加えると、液体の質量と体積の両方が増えるのでは？ 実はそうではありません。見てください。ここに200mlの水と5mlの塩があります。
水に塩を入れるとどうなるでしょうか？これです。
はい、混合物の体積はわずかに増加しましたが、それほど大きくはありませんでした。水に塩を溶かすと質量は増加しますが、体積は増加しません。おかしいと思われるかもしれませんが、これは事実です。実際、私たちは水を連続した物質だと考えがちですが、実際はそうではありません。液体の水はH 2 O分子でできており、これらの分子の間には空間があります。塩はナトリウム原子と塩素原子でできています。水に加えると、これらの塩の結晶はナトリウムイオンと塩素イオンに分離します。これらのイオンは水分子よりもはるかに小さいため、体積は実際には増加しません。
例え話をしましょう。ここにビーカーが2つあります。1つには約1,800mlのピンポン玉が、もう1つには約600mlの小さなキューブが入っています。
これらを混ぜたらどうなるでしょうか？こんな感じになります。
このキューブとボールの混合物は、まだ約1,800mlあります。キューブはピンポンボールの跡に収まります。すごいと思いませんか？
塩を加えると水の体積ではなく質量が変わることがわかったので、密度を変えることができます。例えば、人間の体の75%を水中に沈めて浮かべたいとします。必要な液体の密度はどれくらいでしょうか？人間の密度を1,000 kg/m 3とすると、液体の密度は1,333 kg/m 3 （1,000/0.75）になります。この密度を実現するには、水1立方メートルあたり333キログラムの塩を加える必要があります。
子供用プールに塩を入れる場合、塩はどれくらいの量になるでしょうか。プールの直径が 8 フィート、深さが 1.5 フィートだとしましょう。そうです、ストレンジャー・シングスの舞台は1980年代なのでヤード・ポンド法を使用しています。メートル法が発明される前の話です (冗談です)。もっと良い単位を使用すると、このプールには 2.14 m 3の塩が入ります。つまり、712 キログラムの塩です。1980 年代の単位に換算すると、1,569.69 ポンドになります。ドカン。正直、私の推定値が実際の番組とそれほど近いとは信じられません。おそらく、基本的に私の計算をしてくれた科学アドバイザーがいたのでしょう。科学アドバイザー (あるいはクラーク氏) 、よくぞやってくれました。
レット・アラン氏は、サウスイースタン・ルイジアナ大学の物理学准教授です。物理学を教えたり、物理学について語ったりすることを楽しんでいます。時には、物を分解してしまい、元に戻せなくなることもあります。…続きを読む
