ガラスの涙が語る科学の謎！「オランダの涙」で衝撃の瞬間を体験しよう

桑子研

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

今回は生徒たちの探究心をくすぐる、不思議で美しい実験「オランダの涙」をご紹介します。この実験は、ガラスという身近な材料を使いながら、その性質が私たちの想像を超えた挙動を示す様子を目の当たりにできる、非常に魅力的なものです。ガラスが熱で溶け、水中に落ちていく様子はまるで芸術作品のよう。しかし、その美しさの裏には、固体や液体の状態変化、そして物質内部に秘められた応力のドラマが隠されています。

衝撃と美しさ！「オランダの涙」でガラスの不思議に迫る

ガラス棒を熱して水中に落とすと、まるで涙のような形をしたガラスの滴ができます。これが「オランダの涙（Prince Rupert’s Drop）」と呼ばれるものです。この実験の魅力は、その形成過程の美しさと、完成後の予測不能な破壊現象にあります。

オランダの涙とは？ガラスの性質から学ぶ科学

オランダの涙は、溶融状態のガラスを冷たい水中に落とすことで作られます。この時、ガラスは非常に特殊な内部構造を持つことになります。

仕組みとしては「炙りビー玉」の現象と似ています。溶けたガラスが水の中に落ちると、まず外側から急激に冷やされて固まります。液体から固体になる際、ガラスは体積がわずかに小さくなります。表面が先に固まるため、内部のまだ溶けているガラスは、外側からの収縮力によって強く「締め付けられる」ような形になります。

その後、内部のガラスがゆっくりと冷えて固まるのですが、外側はすでに硬く固まっているため、内部のガラスは外側に引っ張られるような強い引張応力（張力）を受けたまま固まります。結果として、オランダの涙は表面が非常に強く圧縮され、内部には強い力がかかった状態になります。この特殊な力のバランスこそが、オランダの涙の最大のポイントです。

この内部応力のおかげで、オランダの涙の球体部分は非常に頑丈になります。なんと、ハンマーで叩いてもなかなか割れないほどです。しかし、驚くべきことに、この涙状のガラスの**「しっぽ」の部分**をペンチなどで少しでも欠けさせたり、割ったりすると、一瞬で全体が粉々に砕け散ってしまうのです。これは、しっぽの先端のわずかな欠損がきっかけとなり、内部に蓄えられていた強い引張応力が解放され、破壊が伝播するためだと考えられています。

参考にしたサイトはこちらです:

カナヅチで叩いても壊れない！？驚異のガラスをつくる

2020年10月30日　筑波技術大学産業技術学部

科学部で実践！準備と実験の様子

私たちの科学部でもこの不思議な実験に挑戦しました。

必要なもの

ガラス棒：理科実験用の一般的なガラス棒で十分です。
トーチバーナー（またはガスバーナー）：ガラスを溶かすために高温が必要です。
耐熱性のビーカーや金属製の容器：ガラスの滴を受け止める冷水を入れて使います。
冷水：ビーカーに入れます。
ペンチ：できたオランダの涙のしっぽを割るために使います。
保護メガネ：必ず着用してください。ガラスの破片が飛び散る可能性があります。
耐熱グローブ：ガラス棒を持つ際に使用すると安全です。
作業台：安定した場所で行いましょう。

実験手順

水を用意する:
- 耐熱性のビーカーや金属製の容器に、十分な量の冷水を入れて準備します。水は多めに入れておきましょう。
ガラス棒を熱する:
- 保護メガネと耐熱グローブを着用します。
- ガラス棒の先端をトーチバーナーの炎で熱します。ガラスが赤くなり、やがて柔らかく溶け始めるのが観察できます。この時、ガラスが溶けて丸く滴状になるまで十分に熱しましょう。
- 生徒には安全な距離から観察させ、火傷には十分注意してください。
水中に落下させる:
- ガラスが十分に溶けて滴が形成されたら、熱したガラス棒の先端を冷水中にゆっくりと差し込み、溶けたガラスが水中にポロリと**「涙のように」**自然に落下するようにします。無理に振り落とさないようにしましょう。
- 水中に落ちたガラスは、瞬時に冷やされて固まり、涙のような形になります。
形成された涙を観察する:
- 水の中からできたオランダの涙を取り出し、そのユニークな形状と透明度を観察します。
衝撃の瞬間！破壊実験:
- 保護メガネを必ず着用し、安全な場所で行います。
- できたオランダの涙の**「しっぽ」の先端部分**をペンチで強く挟み、割ってみてください。
- すると、「パチーン！」という音とともに、涙全体が一瞬で粉々に砕け散ります。 この劇的な破壊現象に、生徒たちからは驚きの声が上がることでしょう。
- 破片が飛び散る可能性があるので、周囲に注意し、飛び散っても問題ない場所で行うか、透明なケースの中で行うとより安全です。

この実験から何を学ぶか

オランダの涙の実験は、見た目の面白さだけでなく、以下のような重要な科学的原理を学ぶ良い機会になります。

物質の状態変化：ガラスが固体から液体、そして再び固体へと変化する様子を観察します。
熱膨張と収縮：物質が冷える際に体積が収縮する現象が、オランダの涙の特殊な内部応力構造を生み出すことを説明できます。
内部応力と破壊：ガラス内部に蓄積された応力が、外力によって一気に解放され、劇的な破壊を引き起こすメカニズムを視覚的に理解できます。これは、材料科学の基本的な考え方につながります。
物質の性質と構造の関係：同じガラスという物質でも、加工の仕方によって全く異なる物理的性質（頑丈さや脆さ）を示すことを実感させることができます。