(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端側に検出子を吊るし、支点を挟んで釣り合いをとることが可能であってその釣り合い状態を検出する指標部材が設けられた天秤部材と、液体が満たされる容器体を載置可能であり、この容器体を昇降自在とする昇降手段と、上記昇降手段の昇降量を測定する測定手段とを用いて液面に検出子を接触させたときに作用する表面張力を求める表面張力測定方法において、
所定の力で吊り下げられた検出子を液面に接触させる接触工程と、
上記接触工程により、液面に検出子が接触したときの第１液面高さを記録する第１の液面高さ記録工程と、
上記検出子が液中に引き込まれた後に、液面高さを引き上げて上記天秤が釣り合う位置での第２液面高さを記録する第２の液面高さ記録工程と、
上記第１液面高さと上記第２液面高さとの差をｈ、上記液体の密度をρ、上記検出子断面積をｓ、上記検出子の周囲長をＬ、重力加速度をｇとしたときに、
表面張力γを、
γ＝ｓｈρｇ／Ｌ                                            〜（式１）
により求める表面張力算出工程とを具備することを特徴とする表面張力測定方法。
【請求項２】
一端側に検出子、他端側にバランス用液体が補充可能な容器体を吊るし、支点を挟んで釣り合いをとることが可能な天秤部材と、液体が満たされる容器体を載置可能であり、この容器体を昇降自在とする昇降手段と、上記昇降手段の昇降量を測定する測定手段とを用いて液面に検出子を接触させたときに作用する表面張力を求める表面張力測定方法において、
所定の力で吊り下げられた検出子を液面に接触させる接触工程と、
上記検出子が液中に引き込まれた後に、上記容器体に上記バランス用液体を補充し上記天秤部材が水平とする液体補充工程と、
上記バランス用液体及び上記バランス容器の重量をｗ、上記検出子の周囲長をＬ、重力加速度をｇとしたときに、
表面張力γを、
γ＝ｗｇ／Ｌ                                                〜（式２）
により求める表面張力算出工程とを具備することを特徴とする表面張力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な構成の装置によって正確な表面張力値を測定することのできる表面張力測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、板状部材を紐で吊して水面に接触させると、水面に接触した瞬間に板状部材が界面張力により引き込まれる。ここで、界面張力のうち測定媒体の一方が水の場合を特に表面張力と呼んでいる。
【０００３】
表面張力の測定に際しては、ウィルヘルミの原理を利用した測定方法が広く利用されている。この原理について、図５にしたがって説明する。
【０００４】
図５の（ａ）に示すように、シャーレ１０内部に測定媒体（水）１１を満たし、検出子１２を水面１１ａに接触させる。すると、水面１１ａに接触した瞬間に検出子１２が表面張力により水中へと引き込まれる。この表面張力を求めるに際して、検出子１２の釣り合い状態から水中に引き込まれたときの力をＰとすると、ウィルヘルミの原理より以下の式が成り立つ。なお、ｓ：検出子断面積、Ｌ：検出子周囲長、ｍ：検出子重量、ｈ：沈み変位量、ρ：液体の密度、ｇ：重力加速度（約９．８ｍ／ｓ２  ）である。
【０００５】
Ｐ＝ｍｇ＋Ｌγ−ｓｈρｇ                                    〜（式３）
しかしながら、引き込まれたときの力Ｐには、浮力ｓｈρｇも作用しているので、図５の（ｂ）に示すように、ｈをゼロに設定し、それによって浮力をゼロにする調整が為されている。すなわち、図５の（ｂ）に示すように検出子１２を引き上げてｈをゼロとし、それによりｈをゼロにした場合の力Ｐ１  を計測して、以下の（式４）より浮力γを求めている。
【０００６】
Ｐ１  ＝ｍｇ＋Ｌγ
γ＝（Ｐ１  −ｍｇ）／Ｌ                                    〜（式４）
このような、検出子１２を引き上げてｈ＝０にする測定方法は、いわゆるゼロメソッドの考え方として知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法は正確な電子天秤の使用を前提とする測定方法のため、測定装置自体が高額となる。すなわち、電子技術を用いて微小な力を求める構成である。
【０００８】
また、表面張力の概念を把握し難く、またその具体的な値をイメージし難いという欠点があった。このため学校関係における教材としての普及度が低く、結果として表面張力の概念の教育に困難が伴っていた。
【０００９】
本発明は上記事情に基づき為されたもので、その目的とするところは、簡易な構成でありながら精度が良好に得られ、視覚的に表面張力の値の理解を得ることが可能な表面張力測定方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一端側に検出子を吊るし、支点を挟んで釣り合いをとることが可能であってその釣り合い状態を検出する指標部材が設けられた天秤部材と、液体が満たされる容器体を載置可能であり、この容器体を昇降自在とする昇降手段と、上記昇降手段の昇降量を測定する測定手段とを用いて液面に検出子を接触させたときに作用する表面張力を求める表面張力測定方法において、所定の力で吊り下げられた検出子を液面に接触させる接触工程と、上記接触工程により、液面に検出子が接触したときの第１液面高さを記録する第１の液面高さ記録工程と、上記検出子が液中に引き込まれた後に、液面高さを引き上げて上記天秤が釣り合う位置での第２液面高さを記録する第２の液面高さ記録工程と、上記第１液面高さと上記第２液面高さとの差をｈ、上記液体の密度をρ、上記検出子断面積をｓ、上記検出子の周囲長をＬ、重力加速度をｇとしたときに、表面張力γを、
γ＝ｓｈρｇ／Ｌ                                            〜（式１）
により求める表面張力算出工程とを具備することを特徴とする表面張力測定方法である。
【００１４】
請求項２記載の発明は、一端側に検出子、他端側にバランス用液体が補充可能なバランス容器体を吊るし、支点を挟んで釣り合いをとることが可能な天秤部材と、液体が満たされる容器体を載置可能であり、この容器体を昇降自在とする昇降手段と、上記昇降手段の昇降量を測定する測定手段とを用いて液面に検出子を接触させたときに作用する表面張力を求める表面張力測定方法において、所定の力で吊り下げられた検出子を液面に接触させる接触工程と、上記検出子が液中に引き込まれた後に、上記バランス容器体に上記バランス用液体を補充し上記天秤部材が水平とする液体補充工程と、上記バランス用液体及び上記バランス容器の重量をｗ、上記検出子の周囲長をＬ、重力加速度をｇとしたときに、表面張力γを、
γ＝ｗｇ／Ｌ                                                〜（式２）
により求める表面張力算出工程とを具備することを特徴とする表面張力測定方法である。
【００２０】
上記手段を講じた結果、次のような作用が生じる。請求項１の発明によると、天秤部材の一端側に検出子を吊るし、容器体内部に注がれている液体の液面に検出子を接触させれば、検出子が液中に引き込まれる。この時の液面高さを記録する。さらに、昇降手段を作動させて容器体を上昇させ、天秤部材を釣り合わせる。すなわち、このとき、検出子の重量と、表面張力総和と、検出子の浮力が釣り合った状態となる。そして、このときの液面高さを記録する。そして、これらの液面高さの差を求めることにより、ウィルヘルミの原理から表面張力を求めることが可能となる。また、天秤部材には、この天秤部材の釣り合い状態を検出する指標部材が設けられているので、天秤部材が釣り合い状態にあるか否かの検出を容易に行うことが可能となる。
このようにして、検出子を液面に接触させ、接触時の液面高さを記録すると共に、液面高さを引き上げて天秤が釣り合う状態での液面高さを記録し、これらの液面高さの差から上述の式を用いて表面張力γを求めるので、簡易な方法で表面張力を求めることができる。
【００２１】
また、液面高さを引き上げることにより、表面張力による検出子の沈み込み量から視覚的に表面張力を認識できる。
【００２２】
請求項２の発明によると、天秤部材の一端側に検出子を吊るし、容器体内部に注がれている液体の液面に検出子を接触させれば、検出子が液中に引き込まれる。天秤部材が水平となるまでバランス容器体にバランス用液体を補充することで、表面張力によって検出子が液体に引き込まれる力を簡単な構成で測定することができる。
このようにして、検出子を液面に接触させ、検出子が液中に引き込まれた後に、バランス容器体にバランス用液体を補充し天秤部材が水平とし、このときのバランス用液体及び上記バランス容器の重量から上述の式を用いて表面張力γを求めるので、簡易な方法で表面張力を求めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は表面張力測定装置２０の構成を示す図であり、図２は表面張力測定装置２０の側面図である。
【００２４】
表面張力測定装置２０は、基台２１を有している。この基台２１は平板上に形成されており、その四隅に基台２１の水平維持のための調整ネジ２２が設けられている。
【００２５】
この基台２１に天秤部材２３が取り付けられている。天秤部材２３は、基台２１の端部に立設された支柱２４と、この支柱２４でバランスを取って支持部２５に支持されている竿２６より構成されている。
【００２６】
上記竿２６は、検出子２７を取り付ける側（以下、一端側とする）が長くなるように支持されている。そして、検出子２７と反対の他端側は、一端側よりも短く設けられており、ここに微調整可能なバランサ２８を取り付け可能としている。なお、バランサ２８は、その取り付け位置や質量の異なる他のバランサ２８に取り替えることにより、検出子２７の質量に応じて適宜バランスを取ることが可能となっている。
【００２７】
竿２６の一端側には、吊り下げフック２９が取り付けられており、ここに細線３０が吊り下げられている。そして、この細線３０の下端側には検出子２７が吊り下げられている。検出子２７は、ガラスや白金を材質とするプレートであり、この検出子２７の長手方向が鉛直方向と一致するように吊り下げられている。すなわち、検出子２７の下端面が液面と平行を為すように吊り下げられる。
【００２８】
なお、検出子２７を後述するシャーレ４１の液体４２内部に沈めた場合、液体４２の液面が僅かに上昇するが、検出子２７の厚さを１ｍｍ以下に抑えることにより、液面の上昇量は水量と比較すると微小となり、測定誤差以下となる。このため、表面張力の測定には影響を与えず、無視することが可能となる。
【００２９】
上記支持部２５には、クランク３１を介して指標部材としての指標３２が取り付けられている。指標３２は、下端側の先端部分が尖形部３２ａとなっており、この尖形部３２ａによって水平移動装置付目盛板３３に形成された基準線３３ａが指標される。
【００３０】
また、基台２１には、昇降手段としての昇降台３４が設けられている。昇降台３４は、基台２１に固定されたガイド体３５を有している。このガイド体３５には、調整ダイヤル３６を回転させることにより上下方向に移動するアーム３７が摺動自在に設けられている。さらに、アーム３７には指標３８が設けられている。
【００３１】
一方、ガイド体３５には、側面に目盛りが刻まれた測定手段としての昇降目盛３９がガイド体３５に対して上下動調整可能に設けられている。
【００３２】
アーム３７は水平方向に延設されており、その先端には、皿部４０が取り付けられている。皿部４０は、上面に容器体としてのシャーレ４１を載置可能としている。このため、皿部４０にシャーレ４１を載置し、調整ダイヤル３６を回転させれば、シャーレ４１を昇降させることを可能としている。なお、シャーレ４１には、エタノール等の液体４２が適量分注がれる。
【００３３】
以上のような構成を有する表面張力測定装置２０を用いた表面張力測定方法について、以下に説明する。なお、以下の説明の概念として、図３にしたがって説明する。
【００３４】
検出子２７を上述の吊り下げフック２９及び細線３０を介して吊り下げる。この後に、竿２６がほぼ水平になるように、竿２６の反対側に設けられているバランサ２８を調整する。そして、その時の指標３２が指し示した位置に水平移動装置付目盛板３３の基準線３３ａを合わせる。
【００３５】
また、検出子２７の下方位置には、液体４２が適宜の分量だけ注がれたシャーレ４１が昇降台３４の皿部４０上に載置されている。
【００３６】
この状態で、昇降台３４の皿部４０を徐々に上昇させる。そして、液体４２の水面に検出子２７を接触させる（接触工程）。
【００３７】
すると、液体４２の表面張力によって検出子２７が液中に引き込まれる。ここで、検出子２７を液中に引き込む力は、検出子２７の浮力よりも大きいため、図３の（ａ）に示すように検出子２７は液中に引き込まれてしまい、天秤部材２３の竿２６は、ゼロ点を外れてその一端側が下方に向かって大きく傾く。
【００３８】
この時の、表面張力による検出子２７を液体中へ引き込む力は、検出子２７に働く表面張力による力（Ｌγ）と検出子２７の浮力（ｓｈρｇ）の差となる。
【００３９】
ここで、検出子２７が液面に接触した時点で、指標３８が昇降目盛３９のゼロ点を指すように、昇降目盛３９を上下方向に調節する（第１の液面高さ記録工程）。
【００４０】
次に、図３の（ｂ）に示すように昇降台３４の皿部４０に載置されたシャーレ４１を上昇させ、尖形部３２ａが基準線３３ａを指すように調整ダイヤル３６を回転させる。これにより竿２６が水平状態となる。このとき、検出子２７がより深く液中に沈むようになる。
【００４１】
そして、尖形部３２ａが基準線３３ａを指した後に、指標３８の指す昇降目盛３９の値ｈを記録しておく（第２の液面高さ記録工程）。これにより液面の変化量ｈが与えられる。
【００４２】
このようにして、竿２６を水平に戻すことにより、Ｐ＝０となり、変化量ｈを求めることにより、ウィルヘルミの原理から、
０＝ｍｇ＋Ｌγ−ｓｈρｇ                                    〜（式５）
となる。この（式５）を変形すれば、
γ＝（ｓｈρｇ−ｍｇ）／Ｌ                                  〜（式６）
さらに、竿２６が水平となり、ｍｇは相殺されているので、
γ＝ｓｈρｇ／Ｌ                                            〜（式７）
となる。この式より、表面張力γが算出される（表面張力算出工程）。したがって、表面張力の作用だけにより検出子２７が液中に引き込まれた深さを求めることができる。すなわち、視覚的に表面張力を捉えることが可能となる。
【００４３】
ここで、表面張力測定の実験を行った結果を、以下に示す。
【００４４】
【表１】
0004018301.tif 000002
【００４５】
なお、この実験に際しては、検出子２７の周囲長さをａ＝２６．５５，ｂ＝０．９２ｃｍ、液体としてエタノールρ＝０．７８９としたとき、ｓ＝ａｂ，Ｌ＝２（ａ＋ｂ）として、（式７）より、
γ＝ａｂρｇｈ／２（ａ＋ｂ）＝３．４３８ｈ                  〜（式８）
が成り立つ。この（式８）より、表面張力γを求めている。
【００４６】
この実験結果より、ｈの平均は６．５６ｍｍ、表面張力γの平均は２２．６ｍＮ／ｍとなっている。
【００４７】
この測定精度は、従来のウィルヘルミの原理を用いて測定した場合と比較しても、遜色のない結果を得ることが可能となっている。
【００４８】
このような構成の表面張力測定装置２０及び表面張力測定方法によれば、液面変化量ｈを求め、この値をウィルヘルミの原理に代入することにより、表面張力γを簡易に求めることが可能となる。すなわち、天秤部材２３が釣り合っているため力Ｐがゼロとなりｍｇの項をキャンセルできるので、ｈを代入すれば（式８）より簡易に表面張力γを求めることが可能となる。また、指標３２を取り付けることにより、天秤部材２３が釣り合いにあるか否かを容易に認識することが可能となる。
【００４９】
すなわち、液面高さを引き上げることにより、力Ｐをゼロとする方法を採用するので、装置自体が高額になる電子天秤を使用する必要がなくなり、また精度もさほど悪くならずに表面張力の検出を行うことが可能となる。
【００５０】
このため、表面張力測定装置２０を簡易な構成とすることが可能となり、表面張力測定装置２０自体の価格を安価なものにすることができるとともに、保守点検等を容易なものとすることができる。
【００５１】
また、測定精度は精密な電子天秤を使用した場合とほぼ同程度の精度が得られるため、事業所、研究機関での使用が可能である。
【００５２】
一方、ｈの値を求める方法を採用することにより、表面張力を視覚的に捉えることが可能となる。このため、従来の表面張力測定装置では抽象的で理解し難かった表面張力の概念を容易に捉えることが可能となり、教育現場における一般教材として導入し易いという利点も有している。
【００５３】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る表面張力測定装置５０を示す図である。なお、図４において図１と同一機能部分には同一符号を付した。
【００５４】
表面張力測定装置５０は、基台２１を有している。この基台２１は平板上に形成されており、その四隅に基台２１の水平維持のための調整ネジ２２が設けられている。
【００５５】
この基台２１に天秤部材２３が取り付けられている。天秤部材２３は、基台２１の端部に立設された支柱２４と、この支柱２４でバランスを取って支持部２５に支持されている竿２６より構成されている。
【００５６】
上記竿２６は、検出子２７を取り付ける側（以下、一端側とする）が長くなるように支持されている。そして、検出子２７と反対の他端側は、一端側よりも短く設けられており、ここに微調整可能なバランサ２８を取り付け可能としている。なお、バランサ２８は、その取り付け位置や質量の異なる他のバランサ２８に取り替えることにより、検出子２７の質量に応じて適宜バランスを取ることが可能となっている。さらに、バランサ２８にはシリンダ（バランス容器体）５１が吊り下げられている。シリンダ５１には、目盛が設けられており、内部に水（バランス用液体）を収容可能となっている。
【００５７】
竿２６の一端側には、吊り下げフック２９が取り付けられており、ここに細線３０が吊り下げられている。そして、この細線３０の下端側には検出子２７が吊り下げられている。
【００５８】
上記支持部２５には、クランク３１を介して指標部材としての指標３２が取り付けられている。指標３２は、下端側の先端部分が尖形部３２ａとなっており、この尖形部３２ａによって水平移動装置付目盛板３３に形成された基準線３３ａが指標される。
【００５９】
また、基台２１には、昇降手段としての昇降台３４が設けられている。昇降台３４は、基台２１に固定されたガイド体３５を有している。このガイド体３５には、調子ダイヤル３６を回転させることにより上下方向に移動するアーム３７が摺動自在に設けられている。
【００６０】
アーム３７は水平方向に延設されており、その先端には、皿部４０が取り付けられている。皿部４０は、上面に容器体としてのシャーレ４１を載置可能としている。このため、皿部４０にシャーレ４１を載置し、調整ダイヤル３６を回転させれば、シャーレ４１を昇降させることを可能としている。なお、シャーレ４１には、液体４２が適量分注がれる。
【００６１】
以上のような構成を有する表面張力測定装置５０を用いた表面張力測定方法について、以下に説明する。
【００６２】
検出子２７を上述の吊り下げフック２９及び細線３０を介して吊り下げる。この後に、竿２６がほぼ水平になるように、竿２６の反対側に設けられているバランサ２８を調整する。そして、その時の尖形部３２ａが指し示した位置に水平移動装置付目盛板３３の基準線３３ａを合わせる。
【００６３】
また、検出子２７の下方位置には、液体４２が適宜の分量だけ注がれたシャーレ４１が昇降台３４の皿部４０上に載置されている。
【００６４】
この状態で、昇降台３４の皿部４０を徐々に上昇させる。そして、液体４２の水面に検出子２７を接触させる（接触工程）。
【００６５】
すると、液体４２の表面張力によって検出子２７が液中に引き込まれる。ここで、検出子２７を液中に引き込む力は、検出子２７の浮力よりも大きいため、検出子２７は液中に引き込まれてしまい、天秤部材２３の竿２６は、ゼロ点を外れてその一端側が下方に向かって大きく傾く。
【００６６】
次に、シリンダ５１に水５２を少量ずつ加えてゆく（液体補充工程）。これにより他端側が少しずつ下方に向かって傾き始める。竿２６が水平になった時点でのシリンダ５１の目盛を読み取る。
【００６７】
この時の、表面張力による検出子２７を液体中へ引き込む力は、検出子２７に働く表面張力による力（Ｌγ）と検出子２７の浮力（ｓｈρｇ）の差となる。
【００６８】
このようにして、竿２６を水平に戻すように他端側に荷重を加えることにより、液体の重量をｗとすればＰ＝ｗｇとなり、変化量ｈを求めることにより、ウィルヘルミの原理から、
ｗｇ＝ｍｇ＋Ｌγ−ｓｈρｇ                                  〜（式９）
となる。
【００６９】
さらに、竿２６が水平となり、ｍｇは相殺され、浮力の影響をゼロとすることができるので、
ｗｇ＝Ｌγ                                                〜（式１０）
γ＝ｗｇ／Ｌ                                              〜（式１１）
となる。一方、液体の重量ｗは、シリンダ５１の内径をｄ、液体の高さをｔとすれば、
ｗ＝ｔπｄ２  μ                                          〜（式１２）
であることから、
γ＝ｔπｄ２  μｇ／Ｌ                                    〜（式１３）
この式より、表面張力γが算出される（表面張力算出工程）。
【００７０】
このような構成の表面張力測定装置５０によれば、竿２６の他端側に荷重を加えることで、表面張力γを簡易に求めることが可能となる。すなわち、天秤部材２３が釣り合っているため力Ｐがゼロとなりｍｇの項がキャンセルできるとともに、検出子２７を元の位置に戻しているため浮力の影響がゼロとなりｓｈρｇの項をキャンセルできるので、ｗｇを代入すれば（式１３）より簡易に表面張力γを求めることが可能となる。また、指標３２を取り付けることにより、天秤部材２３が釣り合いにあるか否かを容易に認識することが可能となる。
【００７１】
このため、表面張力測定装置５０を簡易な構成とすることが可能となり、表面張力測定装置５０自体の価格を安価なものにすることができるとともに、保守点検等を容易なものとすることができる。
【００７２】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。すなわち、上記した実施の形態では、液体としてエタノールを用いた場合について説明したが、液体はこれに限られず、水やその他の種々の液体を用いることが可能である。
【００７３】
また、シャーレ４１を持ち上げて、その変位量を測定する方法及び装置を採用するものであれば、表面張力測定装置や表面張力測定方法に変更を加えても、本発明の技術的思想を具備したものとなる。このほか、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々変形可能となっている。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、簡易な方法で表面張力を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる表面張力測定装置の構成を示す斜視図。
【図２】同実施の形態に係わる表面張力測定装置の構成を示す側面図。
【図３】同実施の形態に係わる表面張力測定方法を示す説明図であり、（ａ）はシャーレを持ち上げる前、（ｂ）はシャーレを持ち上げた後の状態を示す。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる表面張力測定装置の構成を示す斜視図。
【図５】従来の表面張力測定の方法を示す図であり、（ａ）は検出子が沈み込んだ状態、（ｂ）は検出子を液面高さまで引き上げた状態を示す。
【符号の説明】
２０，５０…表面張力測定装置
２３…天秤部材
２６…竿
２７…検出子
３２…指標
３３…水平移動装置付目盛
３４…昇降台
３７…アーム
３９…昇降目盛
４０…皿部
４１…シャーレ
４２…液体
５１…シリンダ（バランス用容器体）
５２…水（バランス用液体）
【図１】
0004018301.tif 000003
【図２】
0004018301.tif 000004
【図３】
0004018301.tif 000005
【図４】
0004018301.tif 000006
【図５】
0004018301.tif 000007