コーヒーに泡立てたホイップクリームを入れるウィンナーコーヒーや紅茶にミルクを入れたときにかき回すと、表面に浮いた泡やクリームが中心に集まります。
なぜ中心に集まるのか気になって調べてみたところ、なんと日本語のサイトは無論、海外のサイトにも「観察した状況を説明できる」資料がない--見つけられない。それでは自分達（私と娘）で調べようと取り掛かったの結果です。
この実験は、娘の夏休みの自由研究を手伝った結果をまとめたものです。
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クリームを入れたコーヒーをかきまわしたときの水面のクリームの泡が中心に集まるのは、よく言われているように遠心力だけでは説明できないことがわかった。底の物体の動きについてはその理由がよく知られているが、表面の物体の運動については、その理由が知られていなかったため間違った説明がされている。
実験の結果、この現象は遠心力の差で中心に集まるという単純な理由ではないことがわかった。
ホイップクリームのように水面に膜を作るものがある場合は、固定された容器の中で液体がかき回わすのを止められたとき、内部は慣性で回転しつづけるため周囲が高くなる一方で表面はカップとの摩擦で水面だけ早く回転が止まる。そのために、表面近くの液体には水面の傾斜とつりあう遠心力が働かないため、表面近くに内側に向かう水の流れが発生するためであることがわかった。
以前から、「お吸い物や紅茶をかき回したときに、底の具やお茶の葉が真ん中に集まることや、コーヒーにクリームを入れてかき回すと泡が中心に寄るのはなぜだろう？」と思っていました。
そんなとき、たまたま、テレビ番組の「平成教育委員会」で、水を満たした容器の中にピンポン玉とゴルフボールをいれて回転させると、水より軽いピンポン玉は中心に、ゴルフボールは外側に移動する実験をみました。平成教育2005予備校5月15日放送の[理科]、資料集
しかし、コーヒーの上の泡の場合は、
など、[テレビで紹介された実験]とはあきらかに違う現象のように見えます。そのため、そのときに説明された理由では説明できないことに気がついて、その理由を探してみようと思いました。
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コーヒーや紅茶にホイップクリームを入れたときの水面の泡や、スープなどに浮かんでいる具が、かき回しておいておくと真ん中に集まる理由を探す。
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インターネットを使って、この現象の説明を探すといくつかのホームページが見つかった。
密閉された容器の中に水があり、その中にピンポン玉とゴルフボールを入れて回転させると、ピンポン球は中心にゴルフボールは外側による事の説明。
- 円筒形を回転させると遠心力がはたらきます。
- 遠心力は・・・回転の中心から外側に働きます。
- ピンポン球と水では、遠心力は水に多くかかるので、・・・中心で止まります。
- 水より重いゴルフボールは、最も外側に押し付けられ、・・・・
- 正解は、「ピンポン球は中心に移動して浮いたまま、ゴルフボールは外側に押し付けられる」でした。」
平成教育2005予備校5月15日放送の[理科]
http://www.fujitv.co.jp/yobiko/week/050515/index.htmlより引用
ミルクティーの表面の泡についての説明
「遠心力が原因だね」
「だって、遠心力なら円の外側に向かって引かれるんでしょ」
「そうだけど、重いものと軽いものでは動きは逆になるね」
「 ミルクティ－と泡は反対に動く？」
「そう。遠心力を、円の外側に向かう重力と考えて見よう。
・・・【中略】・・・
「すると、ミルクティ－は重いから外側に動き、泡は軽いから中心に動く」
「ま、重いとか軽いと言うのは正確じゃないけど、ここではそれで分かるよね」
「ええ。それで、ミルクティ－はカップの縁に沿って盛り上がり、中心には泡が集まる訳ね」
「うん。なかなか良い線行ってるね」
「でも、回転を止めてから、泡が中心にス－と盛り上がって来たのは？」
「まずミルクティ－だけを考えて見る。縁に盛り上がっていた分が沈み、底を通って中心の方に移動して水平になる」
「ロイヤルミルクティ－ 渦」
http://www.hi-net.ne.jp/%7Emickey/uzu4.htmlより引用
難しくてよくわかりませんが、なんでも流体（流れるもの）の粘ばさが関係しているとか
コップの底の土が真ん中に集まるメカニズムは気象学や流体力学の一部でエクマン・パンピングと呼ばれている現象で，御節のとおり，台風や竜巻では極めて重要な役割を演じています．
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当時主流の「攪拌式」と違い、洗濯槽側面に付けたパルセーター（回転翼）で水流を起す「噴流式」は画期的な方式だった・・
SANYO 洗濯機事業 --50年の歩み--
http://www.sanyo.co.jp/cc/sw50th/history/より引用
カップの底にあるものがかき回すと中心に集まる現象を、エクマン・パンピングというのだそうです。はじめて聞きました。資料の中で、「中心に向かう流れ」という言葉を見て、「浮かんだ泡が中心に集まる現象にも中心に向かう流れが関係しているのかもしれない」と思いました。
このように、資料はあまり見つけられませんでしたが、「ロイヤルミルクティ－ 渦」に書かれていた内容は、説明としては面白いけど、説明されている内容と実際の観察結果は異なり正しくないと感じました。ただ、そのことで、実験の方法の目安が立ちました。
どのように実験すればよいかの計画を立てるために、まずこの現象を色々と条件を変えて詳しく観察してみる。
最初に、実際にコーヒーに泡立てたミルクを入れて、かき回したときの泡の動きを詳しく観察してみた。
スプーンを入れる深さや、かき回す場所、スプーンの抜き方など、できるだけ色々な方法を試し、どの方法が一番泡が中心に集まるか、またそのときどんな動きをするのかを詳しく観察する。
ミルクを入れてかき回しはじめると、泡はスプーンに引っ張られるような形で渦をまいた。スプーンをカップの縁に沿わして回すと泡は縁によるし、半径の中心あたりでかき回すと今度はその部分に集まることが観察されたが、コーヒーが回り始めても、かき回している間は、クリームが中心に集まることは確認できなかった。
「ロイヤルミルクティ－ 渦」に書かれているような「コーヒーの表面がくぼみ、それによって泡が中心に寄る現象」は観察できませんでした。
「ロイヤルミルクティ－ 渦」の説明に書かれているように、ミルクティ－は重いから外側に動き、泡は軽いから中心に動
くという現象は、すくなくとも、かき回している最中は、まったく確認できませんでした。また、かき回している最中には、回転でくぼんだ水面を泡が中心に向かって移動していく現象も確認できませんでした。
もちろん、その結果の『回転を止めてから、泡が中心に盛り上がってくるのは、回転が止まることにより反っていた表面が平らになり、その上に乗っていた泡が盛り上がる』ということにはなりません。
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表面が先に止まって、それ以後も表面より下はまわり続ける。
しかも、その流れはらせん状に中心に向かう。
そうではなくて、いずれの持ち上げ方をしても、かき回すのを止めてスプーンを外に出すと、コーヒーは回転しているのにすぐに泡が中心に移動しはじめた。やがて表面に浮かんだ泡の回転や移動が止まるが、止まってからも表面のすぐ下のコーヒーは、しばらく回転を続け、水中のクリームの粒の中心方向への移動は、コーヒーの回転が完全に止まるまで続いた。
底にあるものは、かき回すと遠心力で外に移動できるが、ホイップクリームのように水面にあるものは、水面がその場所の重力の方向に直角でなければならないので、内側に傾いているためいずれの方向にも移動しないのではないだろうか？
全体が回転しているとき、浮かんでいるものは内にも外にも移動しない。
底に沈んだものは外に移動する。
そこで、この「回転でくぼんだ水面を泡が移動することはない」ことを確認するためと、「攪拌する棒の影響を取り除くため」に容器全体を回転させて水面のくぼみをつくって、実際に水面の泡が中心に向かって移動するか、移動しないかを確かめる必要がある。
また、カップの回転を止めた場合の水面上の泡の変化を観察すると、この現象が遠心力によるものか、他の原因が関係するのかを判断できるのではないか？
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回転している水面が遠心力で周囲が盛り上がっているときに、水面にある泡が中心に移動するか、しないかを確認することと、回転を止めたときに泡の位置がどのように変化するかを確認する。
容器を一定の速度で回転させる方法を探していたら、たまたま、わたしの家に古い蓄音機があったことを思い出して、それを回転台に使えそうなので、それを使うことにした。
蓄音機のターンテーブルに台を乗せて実験装置を作る。蓄音機（回転数、１秒につき約78回転）の上に、箱を置いて回転させ中心点を見つけやすくするために、サインペンで印をつけておく。
カップにコーヒーとホイップクリームを入れて回転を始めると、縁に近い泡は容器の縁によってくっついてしまった。
残りも少しずつ外側に移動しながら、段々と内側も回転を始めた。
回転が一定になって容器の中の水も一緒に回転し始めてからは、泡の移動は止まった。割りばしで表面の泡を均一にならして、その後の泡の変化を観察したところ、泡はまったく移動しなかった。
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表面が先に止まって、それ以後も表面より下はまわり続ける。
しかも、その流れはらせん状に中心に向かう。
再掲
容器の縁に近い表面は回転が止まると同時に停止し、それより内側の回転し続けている部分との境界に隙間をつくった。その境界が内側に寄るにつれて泡が中心に寄りました。やがて、それより内側の泡もすぐ回転を止めてしまいました。
なお、表面の泡の回転が止まってもそのすぐ下の水は、しばらく回転を続けていました。その後も泡は少しずつ中心に集まりました。水面のすぐ下の水は回転しながら内側に向かって流れていることが観察できました。
回転が完全に停止すると、中心部分に集まっていた泡が少し周囲に広がるように見えた。
ホイップクリームがあると早く回転を始めて早く止まり、中心に集まる。
< 8 >
クリームなしのゴマだけ
ミルクが入っている場合は、容器が回転し始めると「ロイヤルミルクティ－ 渦」に書かれている現象とは逆に、あたかも縁に引き寄せられるように、円周付近の泡は縁にくっつくように移動してしまった。
これは、内部の液体はまだ回転していないために水面は水平なのに、表面は油膜によってカップの回転に引きずられて回転を始めるために、水面にある泡などは遠心力で外側に移動するのではないか？（このとき近くの泡はそれに引きずられるようです。）
表面に油膜がない場合は、内部の水が回り始めてから周囲が高くなると同時に水面が回り始めるので、外に移動することはないのではないか？
容器と水が一緒に回転し始めてからなら、泡を水面に均一の厚さになるように「ならしても」泡はまったく移動しなかったことから、全体が回転している時点では、水面の傾斜と水面にある物体に働く遠心力がつりあっているため、これらがが外側に移動する現象も、中心に集まるいう現象も起きないと考えられます。
水面に油膜がない場合も、同じ理由で移動しない。
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容器の回転が止まると表面の回転は油膜のために外周部から止まるため、その境界であたかも掃き寄せられるように泡が集まる。
さらに表面が完全に停止するとどんどんと水面やその近くにあるものが中心に集まってくる。
これは、内部の液体は回転しているため遠心力で周囲は高くなっているが、表面やその近くは回転が止まっているので、遠心力が働かないために高い周辺部から低い中心に向かう流れが発生するために、水面にあるものが中心に集まると思われる。
一方水面に油膜がない場合は、水面の回転はその下の水の回転とともに回転を止めていくため、ゴマが中心に集まる現象が現れないようです。
ホイップクリームの場合は、回転が完全に停止すると、「ロイヤルミルクティ－ 渦」に書かれている「高くなる」という記述とは逆に、泡の高さが低くなるのは、泡を中心に掃き寄せる水流がなくなるからと思われる。
実験１と実験２を通じて、期待とは違って、ホイップクリームの泡と、クリーム無しとの動き方があまりにも違うことから、最初の疑問「コーヒーにいれたホイップクリームの泡がなぜ中心に集まるのか？」の「ホイップクリームの泡」による油膜がこの現象の主な原因であることがわかりました。
ここまでの実験で、表面の泡が中心に集まる大きな原因は表面と内部の回転速度の差がある場合の水面の傾斜と水面の物体に働く遠心力の差であることが確認できた。
しかし、それ以外に中心部の水だけが回り続けているときに、それに引きずられる形で他の部分の泡が集まる現象もあるように見えたので、その原因を探るために、もう一度容器を固定して中身を回転させる実験を詳しく行なってみることにした。
泡が回転によって外側、または内側に移動する原因は、周囲と中心部に回転速度の差ができるために、泡が引き離されるためか、泡の下に外側または内側に向かう水流ができるための現象ではないかと思われるため、もう一度実験をしてみる。
今回は特に、ホイップクリームの泡とゴマの場合についても比較してみる。
この現象を整理するため、攪拌にドリルと色々な形の針金を使って行なってみた。
充電式ドリル（回転数200回転）に先端を加工した針金を取り付けて、容器内をかき回してそのまま持ち上げたり、回転を止めてから持ち上げる実験を行な う。
< 10 >
ホイップクリームを浮かべて底を回転させると
中心に集まったまま。
ミルクの場合も、表面が回りにくいが同じように中心に集まりました。この場合、水面の形は極端に真ん中がくぼんだ形で、カップ全体を回したときとは明らかに違う形でした。
回すのを止めると、中心が盛り上がった。
針金を写真のように細工して回転させる。
羽を底に入れて回転を開始すると、ゴマは中心に集まりました。
< 11 >
底を攪拌すると底部の水は周囲に向かい、カップの側面に沿って上昇し水面で内側に向かう水流となり、それが水面にある物体を中心に集める要因になると思われる。
この場合は水面の形が回転する容器で見られる放物面ではなく、ロート型になる。この場合も水面にある泡などの物体は中心に集まるが、それは周囲の液体と泡の遠心力の差によるものではなく、あくまで内側へ向かう強い水流に乗って移動するものだろう。
攪拌棒の影響を排除するために次にマグネチックスターラを使用して攪拌してみる。
マグネチックスターラーという、かき混ぜるための道具を使って底を回してみました。
マグネチックスターラーでかき回したときは、水面の形が遠心力によるものとは異なり中央部だけが極端にくぼむ。そして、なによりもかき回している最中に水面に浮かんでいるものが中央に集まりました。
マグネチックスターラを使う攪拌では、底部だけが攪拌されるためその水流がカップの内面を上昇して水面に激しい内向きの流れを生じる。そのために水面にあるものは中心に集まる。攪拌を停止後の挙動は他の攪拌と大差はない。
味噌汁の味噌カスや紅茶の葉がかき回した後に底の中心に集まるのは、かき回すのを止めると容器の側面を下向きに下がり、底を中心に向かう流れが発生することで中心に集まるということが知られています。
この場合も、コーヒーにホイップクリームを入れたときと、まったく同じように、かき回すのを止めた瞬間に中央に集まり始めました。そして、回転が完全に止まると持ち上がっていた「お茶ガラ」の中央が低くなりました。
< 12 >
以上の結果から、コーヒーに入れたホイップクリームの泡が中心に集まる一番大きな理由は、ホイップクリームの場合は泡とそれを乗せた水面の油の膜が、内部のコーヒーよりも早く止まるために水面でも（底と同じように）内側に向かう流れが発生するためである。
下の図は移動が良くわかるように、ホイップクリームを入れたコーヒーにゴマ粒をばらまいて、７８回転／分でカップ全体を回転させ、それを停止させたときの表面の状態です。（色の濃い部分は回転が止まっている部分）
| 写真 | 図 |
|---|---|
 回転前 |
 回転前 |
 回転開始直後 |
 回転開始直後 |
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回転を開始すると、最初に回転を始めるのはカップに接している部分で、続いて表面が外側から回転を始める。 このときコーヒー全体は回転していないためまだ周囲は十分に盛り上がっていない。 そのため、回転を始めた部分には遠心力が働くため、外側に移動を始する。特に縁近くのものはカップの側面まで移動する。この移動はコーヒー全部が同じ速さで回り始めるまで続く。 |
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< 13 >
| 写真 | 図 |
|---|---|
 回転中 |
 回転中 |
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コーヒーも容器も同じ速さで回転し始めると、底にある重たいものは遠心力で外側に押し付けられるが、水面にあるものは水面が遠心力に応じて傾いているためその位置を動くことはない。 |
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 カップの回転停止 |
 カップの回転停止 |
|
カップを停止すると、カップに接している部分も止まる。回転が止まった部分には遠心力が発生しないために水面の高い縁に近い部分は水圧のため下向きに移動を始める。 表面にクリームの膜がある場合は表面も、中身よりは先に外側から回転を止めるため、表面の水は低い内側に向かって流れ落ち、泡はその内側に集められる。 |
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 水面の停止 |
 水面の停止 |
|
容器に接している部分も表面も回転を止めても、中のコーヒーはしばらく回転を続けるため、底と上には内側に向かう流れが続く。そのため重たいものも泡のように軽いものも中心に向かって力を受け続ける。 |
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< 14 >
| 写真 | 図 |
|---|---|
 停止 |
 停止 |
|
全体が停止してしまうと、内側に向かう流れもなくなり、盛り上がっていた泡は（底の重たいものも）、高さが少し低くなる。 |
|
ただし、水面にあるものがかき回すことによって中心に集まる原因は一つではなく、そのかき回し方によっても中心に集まることもある。
スプーンを底に入れてかき回す場合に観察される現象で、スプーンを底に入れてかき回すと、底の部分では中心から周辺部分に向かう水の流れができて、それはカップの縁を上昇して、水面付近では中心に向かう水流となるため水面にあるものがそれにつれて中心に流されて、そこに集まる。かき回すのを止めてスプーンを引き上げても中心にそれらが集まった形になる。
これは、渦巻き式・噴流式の洗濯機の水の周囲が盛り上がっているのと同じ原因で、（洗濯機の中の水の中心が窪むのも遠心力のせいではない）底の部分に周囲に向かう水流ができて、それが容器の壁に沿って水面に上昇し、水面付近に中心に向かう水の流れを作るために、泡が中心に集められることが原因だと思われます。
これが原因の場合は、回転中に中心に集まり、また表面に膜を作らないものでも中心に集まる。ただし、遠心力の差で中心に集まるわけではない！！
「ロイヤルミルクティ－ 渦」に書かれている説明は、この現象と混同しているようです。
噴流によるものなら、
「遠心力が原因だね」
「だって、遠心力なら円の外側に向かって引かれるんでしょ」
「そうだけど、重いものと軽いものでは動きは逆になるね」
「 ミルクティ－と泡は反対に動く？」
「そう。遠心力を、円の外側に向かう重力と考えて見よう。
・・・【中略】・・・
「すると、ミルクティ－は重いから外側に動き、泡は軽いから中心に動く」
「ま、重いとか軽いと言うのは正確じゃないけど、ここではそれで分かるよね」
「ええ。それで、ミルクティ－はカップの縁に沿って盛り上がり、中心には泡が集まる訳ね」
「うん。なかなか良い線行ってるね」
「ロイヤルミルクティ－ 渦」
http://www.hi-net.ne.jp/%7Emickey/uzu4.htmlより引用
< 15 >
で、後半（「ええ。それで、ミルクティ－は・・・・より後ろ）に書かれている内容がそのまま当てはまります。前半は間違いと思われる。特にミルクティ－は重いから外側に動き、泡は軽いから中心に動く
は、密閉された容器内で水面が存在しない場合にしか適用されない説明であろう。開放された水面では回転中は周囲が高くなることで遠心力とつりあうために内にも外にも移動するはずがないはずです。【参照】→1:動機の平成教育委員会での出題
発泡スチロールのように水面から出ているものが浮かんでいる場合は、水面に膜がなくても空気の抵抗で水面のほうが早く回転を止めれば、ホイップクリームを浮かべたときのように水面に近くに中央に向かう水の流れができるでしょう。
色の薄い部分は慣性で回り続けているため周囲の水面を持ち上げる。一方色の濃い部分は摩擦によって回転速度が遅っている部分で遠心力は弱いため、水面では低いほうに、底部では水圧に押される形で中心に向かう水流が生じる。
コーヒーにクリームを入れてかき回してスプーンを持ち上げると、中心にホイップクリームの泡が集まるのは、クリームによって表面に膜ができ、それがカップとの摩擦により中のコーヒーより早く回転が止まる。その一方で内部は回転し続けているため周辺部の水面が上昇している。そのために周囲の上昇したままの水面に中心に向かって流れができることによって、水面近くにあるものが中心に集まることが原因と思われる。
なお、底の部分では従来から知られているように周辺部との水圧の差によって同様の中心に向かう流れが生じる。
「コーヒーに入れたホイップクリームがかき回すと中心に集まる」という見慣れた現象が、実験してみるとインターネット上のサイトや参考書で説明されている理由とはまったく違うことに気がつきました。
また、実際に試してみると、そのたびに、はじめの予想を裏切る結果がでて、その原因を調べるために、また実験を繰り返さなければならなくなり、原因を知るまでにとても苦労しました。そのため簡単にすむと思った実験が大変長くなってしまいました。
たぶん、ゴマだけで実験しても、ホイップクリームだけで実験しても、ホイップクリームの泡がなぜ中心に集まるかの原因はわからなかったと思います。
今回も、試している中で、まったく偶然にホイップクリームをゴマに変えたことで、表面の回り方の違いに気がつき、その理由がわかりました。
また、今回、調べる間に洗濯機の水の流れも、回転のために周囲が盛り上がっているのではなく、底のパルセータ（羽）で、水を横方向にはじき飛ばしているために、周囲に沿った上向きの流れが発生し、それが洗濯中の水面の中心を窪ませていることがわかりました。
毎日のように眺めている現象でも「なぜ？」と思った場合に、固定観念や本、参考書の説明を鵜呑みにせず、自分の手で色々と試してみることが、とても大事なことに気がつきました。
< 16 >
この実験のなかで、また実験中に工夫したアイデアです。
平成教育委員会予備校2005:5月15日放送の[理科]
「ロイヤルミルクティ－ 渦」
「先生に届いたメールのやりとりより」Meso-Scale Meteorology Study (MS2)
洗濯機「初」物語：三洋電機< 17 >
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