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物理学コミュのお茶のミステリーサークル

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コミュ内全体

朝、なにげに茶の湯の湯気を眺めていたら、ミステリーサークルの様な模様ができている。

動画アップしました
http://b.high.hokudai.ac.jp/~konno/video/tea_circle/

お茶の表面で嵐が吹き荒れています。
この模様のできる理由を考えてみると面白いかもしれない。

コメント(35)

面白いですね。

表面に時折吹く風は、息を吹きかけている訳ではないということですか。
きれいな模様ですね。
これは湯気の模様ですか、お茶の表面の模様でしょうか?

湯気だとすると気象力学の分野になるのかなと思います。
お茶表面なら流体力学(気象にも含まれますが)、表面張力、・・・その他などでしょうか。

私には理解不能です。
皆様、コメントありがとうございます。

1 はたけ さん、

はい。息を吹きかけているわけではないです。
ファンヒーターのせいで室内に若干の気流があり、
画面左奥から、右前に向けて水平に弱い風が吹いています。
風上には近くにパソコンのモニターがあり、気流は幾分乱れていると思います。
気温は10〜15℃ぐらい。


2 ヤンマァ さん、

自己組織化... ですかー ...?


3 ねじまきどり さん、

この模様を作っているものが、表面に浮かんでいるものなのか、
表面付近の湯気なのかは、良く見極めることができませんでした。
キャラメルコーン(スナック菓子)を食べながらお茶を飲んでいたので、
油分や、コーンなどの微粒子などの可能性もあります。
ただ、移動する湯気の形と、表面の模様のでき方に相関が見られたので、
お茶の対流や表面での力学だけで説明できるものではないと思います。


確実に再現できるようになったら教材化できそう...
上昇気流でしょうか?

室内の空気が流動してるために 面白い模様ができるのではないでしょうか。
あと、空気抵抗も考えることができますよね!!
乱流ですね。

実に面白いです。

動画が見れなかったので何とも言えませんが・・・
カップの中のお茶の対流が
醸し出しているのではないでしょうか

表面が冷やされれば
下から熱いお茶が上がってくる
対流はを
ある形でみたのではないでしょうか

太陽や木星を思い浮かべました
動画をYoutubeにアップしました。
http://www.youtube.com/watch?v=nC8lHWR7Lgo
Quicktime をインストールできない場合は、Youtubeでご覧ください。
模様自体はカップの中のお茶の中と表面にあるように見えます。いったい何なのか分りませんが風が吹くと一時的に消えてますよね
模様の原因は紅茶の対流(乱流)が主だと思いますが、湯気が左から右に流れているのも影響していそうです。(弱い風がある)
表面の白い粒子(?)は、

仮説1:微細な空気の泡
仮説2:紅茶葉に含まれるもの(玉露の「うぶ毛」のようなもの)
仮説3:紅茶の成分とお湯に含まれるミネラルが結合して析出したもの

・・・紅茶いれてみます。
浮かんでいるのは、紅茶の産毛みたいですね
 お湯の表面の模様だけなら、お湯の温度差による対流かも知れないと思うのですが、(よく、味噌汁の表面で見られますよね)何故か、右巻きになったり、左巻きになったり、場所や大きさも変わっているようだし、かなり難しい現象の様ですね。
 それと、液体の表面の上を、雲のように通り過ぎていくものも見えますね。
 なんか、結構複雑そうな。

 (余談ですが、私は、風呂に入って暇だと、浴槽表面に渦を作って、そのソリトンの様子を観察したりして遊んでいますが、内部から出た物ではなく、表面だけの物なので、すぐ消えるし、途中で渦の向きが変わったりはしませんよね。まあ、全然別の現象なんでしょうけれど。)
動画見させたもらいました。
模様の正体は湯気ではなさそうな感じがします。

中の飲み物は紅茶ですか?
だとしたら、紅茶に含まれる脂分が表面に浮遊しているのではないでしょうか?
模様ができるのは、容器の中で飲み物が対流しているからでしょう!!
温かい飲み物が、コップの側面当たりで冷やされてコップの底まで潜り、また内部で温められ中央付近から上昇するのでしょう。
しかし、模様の一部が一瞬で消えていることが不思議ですね!!
熱により脂分がはじけているのでしょうか?
よく分からないです。
ひょっとしたら脂分ではなく他の物質かもしれません。
画像だけでは分からないですね。
紅茶の成分情報が必要ですね!!

追試してみました。安物のセイロンティーのパックですが

まず、産毛と思われるものが微量ありました。
これは、玉露でも良い品物の方が産毛が多いと聞いたことがあるので、紅茶でも同様かも知れません。ただし、産毛は一見してそれと分かる形状でした。動画の白いものとは異なると思われます。

次に、蛍光灯の光で良く見ると、表面に油膜のようなものが確認できました。
紅茶のものであるかはわかりませんでした。
これはおそらくその前に飲んだ牛乳の脂肪分だと思われます。
次の機会に再追試してみたいと思います。

さらに、脱脂粉乳を静かに投入してみました。
見た目は動画の白いものにそっくりで、お湯の対流によって動き、動画のような変化を見せましたが、水面よりやや下までしか上がってきませんでした。また、このときに油膜は動きませんでした。

このことから、件の白いものは、
1.非常に細かい粒子と思われる
2.粒子間の引力はほとんどない
3.比重は脱脂粉乳よりも軽い
のではないかと思われます。

また、表面の動きはお湯の対流のみで説明できそうです。

紅茶:「セイロン紅茶」業務スーパー
脱脂粉乳: 「森永スキムミルク225g」(225g入れたわけではなく、そういう商品名です)
http://www.morinagamilk.co.jp/products/dryfood/detail.php?brand_id=63
>また、表面の動きはお湯の対流のみで説明できそうです。

これは違うかな。
明らかに風の影響も受けているように見えますよね。
もう一度動画を見ました。
画像解析したところ、謎の微粒子は、姿を消しているようにも見えますが、なんらかの影響で、発散というか、周りに散っているようにもみられます。平面密度が小さくなっていることから、人の眼には模様として感じ取れなかったのでしょうか?
謎の微粒子の正体は何でしょうか??
顕微鏡やルーペで観察する必要がありそうですね。
お茶の葉芽の産毛だと思います。
ダージリンなんかでは多く、オレンジペコでは少ない(ホントか?)
ミクロンの単位の産毛だから表面張力で浮かぶし、わずかな風で向きを変える、細かな毛だから風向きでそろって向きを変え、肉眼には見え方が大きく変わる
で説明つきませんか?
ちなみに「紅茶 産毛」あるいは「お茶 産毛」で検索すると沢山出てきます。
>16 未央子さん

調べてみました。

紅茶の製造工程
http://www.uloncha.com/r_hongcha2.htm

FOP(Flowery Orange Pekoe) 一番枝先の若芽の部分。産毛がある。
OP(Orange Pekoe)2番目の若芽の部分。産毛がない。
P(Pekoe) 三葉目の若芽。産毛がない。

ということのようですね。
オレンジペコーって葉の種類じゃなかったんですね。知らなかった・・・。
(紅茶好きな人には常識?)
KSig さんの使われた紅茶葉の情報があると進展しそうな気がします。

表面張力で浮かんでいるものは、周囲の水面がへこんでいるのが肉眼で見えますので、判別は可能かと思います。

説明不足ですみません。
お茶の種類は「茎ほうじ茶」です。比較的葉っぱ屑の少ないお茶です。

表面の微粒子は肉眼で見た感じでは表面付近に停滞している湯気でした。
しかしあとでよく見ると、泡、油、コーンのくず等の考えも捨てがたい。

朝日が浅い角度で入射しているので、このような様子に見えています。
最後は空が曇ってきてしまって、朝日が射さなくなってしまいました。
>18 ヤンマァさん

湯気説ですか。
だとすると温度が高ければ普通の湯気のように立ち上るはずですし、
水面近くに滞留する条件がありそうですね。

提示の本はお持ちではないようですが、購入の予定はありますか?
>KSigさん

あぁ!
色からてっきり紅茶だと思っていました。

確かに紅茶とは一言も書いていませんね。
焙じ茶、私も好きです。

紅茶や緑茶ですと、若い芽であるほどグレードが高く、産毛も多いようです。
KSigさんがお飲みになっているものはどのような品物でしょうか。
私にも手に入る値段だとよいのですが・・・。


外気の気流による湿度の変化によって
水の微粒子が一気に蒸発しているのではないでしょうか。
高気圧の環境が作れる容器に入れ、微粒子の正体が、湯気かどうかを調べてみてはいかがでしょうか?どこかの大学の実験室に行けばあるのではないでしょうか? 無責任な発言失礼します。
お茶を入れ直してみて、懐中電灯の光を横から当ててみたところ、表面の模様が再現しました。
ミステリーサークルのような「クルクル」した模様が刻まれるのは再現できていませんが、
曲がった筋がすいすいと引かれる様子は再現しました。
表面のものに関しては、油やコーンのくずではなさそうです。泡か表面の湯気か、そのお茶に独特の何かか。
微小な泡かもしれないですね!!
熱いお湯の表面に、よく見かけます。(純水では起こらない)
>18ヤンマァさん

以前急な冷え込みで起きる川霧で
似た様な幻想的霧をみました

細かく立ち上るところやよく見る湯気のように立ち上るところがありました
流れの影響だろうかといろいろ眺めても
表面を見る限り気がつくようなことはその時は気がつきませんでした

動画でもないかと探してましたが見つかりませんバッド(下向き矢印)
>22 ヤンマァさん

物理の散歩道は、近くの図書館の蔵書にあったような気が・・・。

>温度は低め、気温も低め
>対流が弱く、外気との温度差のある時

温度が高いと水蒸気は沢山出るけれど上昇気流も強くて湯気が滞留できない。
気温が高いと水蒸気(気体で透明、見えない)が湯気(細かい水の粒、白く見える)になりにくい。
2行目はどちらも湯温と気温に相関しますので1行目から導けますね。

条件的には合致していますね。
後は具体的な温度が分かれば再現できそう。

>24 ミウラッチさん

それも手ですが、ああでもないこうでもないと想像を巡らせるのも仲々楽しいもので。

>KSigさん

動画だと粒子っぽく見えますが、もしかしてCCDで撮影しているからで、実際はもっと湯気っぽく見えるのでしょうか?

くるくる模様はお湯の対流の可能性が高いですね。
焙じ茶だとちょっとアレですが、紅茶でしたらクリープかミルクを入れてかき混ぜないとおそらく似た挙動が見られると思います。

問題はその表面の何かですよね。
筋のような模様は風の影響が大きそうなので、風の向きが変わる産毛説も捨てがたいのですが・・・。

自分の手元で再現できれば天眼鏡があるのですが。


>26 ミウラッチさん

今日紅茶を飲むときに細かい泡を作れたのですが、表面張力でくっつき合っているせいか、あまりお湯の対流や風の影響を受けないようでした。

細かい泡は、時間が経つと外側にちらばる傾向がありますね。縁近くが表面張力で上り坂になるせいでしょうか。

>27 G.G.さん

そういえば私も、川べりでキャンプしたときに、水面を転がる霧を見たことがあります。
あれのスケールを小さくしたような現象なのでしょうか。
×風の向きが変わる産毛説
◯風で向きが変わる産毛説
>28 はたけさん

はじめはせせらぎで表面が荒れているところが
細かくなっているだろうと思い近づいて見ましたが

むしろ表面は他より穏やかで
規模はかなり異なりますが
ここで言われている産毛のようになっていました

ただ場所は見ている限り変化しなかったんですよ

(頼りない記憶に基づいた憶測ですが
そこは他より少し深かったのかも知れません)

温故知新。動画をみて、この古典を思い出しました。

・『茶碗の湯』(寺田寅彦/http://www.aozora.gr.jp/cards/000042/card2363.html:青空文庫)

んー。子供向けのエッセイではあるもののなかなか深いです。

まず寺田は文中で、夏のプールを見ていると、水の中にゆらゆらと光が見える、あの現象のことを説明しています(たぶん)。茶碗を日向に出してみると、茶碗の底にゆらゆらした光の線が見えますね、と。そしてこの現象の原因は、湯の表面の冷え方にむらがあって、そのせいで熱い水と冷たい水で対流が起き、熱いところと冷たいところの境で光が屈折するからだ、と説明します。

続いてこの動画のものと思われる現象にも言及します。以下、青空文庫版から引用。

> 次には熱い茶わんの湯の表面を日光にすかして見ると、湯の面に虹《にじ》の色のついた霧のようなものが一皮かぶさっており、それがちょうど亀裂《きれつ》のように縦横に破れて、そこだけが透明に見えます。この不思議な模様が何であるかということは、私の調べたところではまだあまりよくわかっていないらしい。しかしそれも前の温度のむら[#「むら」に傍点]と何か関係のあることだけは確かでしょう。

さらに調べてみるとこの現象はシュリーレン現象と呼ばれているもののようで、砂糖をお茶に入れたときなどに場所により屈折率が変わることで起きるらしいです。


……ってほうじ茶に砂糖は入れないYO!

おあとがよろしいようで。
⇒はたけさん
難しいですね。
いったい何でしょうかね?
脂分があやしいと思いますが、どうでしょうか・・・?
>31 イリュージョンさん

おぉっ、素晴らしい。

イリュージョンさん本人が書かれているように、この現象と直接かかわるかは不明ですが、
1・みんなで検証可能な資料
2・名前の付いている現象
3・ウィット

が含まれているのは重要ですね。

wikipedia: シュリーレン現象
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%83%B3%E7%8F%BE%E8%B1%A1

陽炎もこの現象の一種なんですね。

全く新たな説、光の屈折説ですね。
でも、写真を見ると形は似ています。

思うのですが、名前って重要ですね。
小説などで魔法使いや陰陽師が、自分の名前を知られることで不利になるシーンを思い出します。

それを考えると、この現象に名前をつけていない今の流れはあまり物理コミュのアプローチとしてはイマイチということでしょうか?

>32 ミウラッチさん

物理学ごっことして捉えるなら、アプローチは二通りでしょうか。

理論物理学派
 1・仮説を立てる
 2・仮説から理論を作る
 3・理論を作る仮定で自己矛盾があったら、ありえない理論なので棄却
 4・ありえる理論同士で、予想される挙動の違いを予測
 5・実験で確認
3は省略可ですね。どのみち実験で棄却されるので。

実験物理学派
 1・まず再現
 2・観察、測定
 3・測定結果を満たす式を作る
 4・式を満たす理論を作る
 5・式から、現象が変化する解を得る
 6・実験で確認
現代物理学派は4を省略しても可ですね。
実験結果と食い違えば式を修正するだけなので。

ちなみに私は、自分の実験結果(>13 参照)から脂分説は否定派ですが、実験方法が間違っているのかも知れないですね。
⇒はたけさん
大変勉強になります。
卒論にも役立てたいと思います。
ありがとうございました。
このコミュニティーに入会してよかったです。

はたけさんのアドバイスで方向性が固まったような気がします。
12/26から冬季休講に入るのでこの機会をねらって検証したいと思います。
>34 ミウラッチさん

なにやら、お役に立てたようでなによりです。

卒論に関係して来るということでしたら、釈迦に説法になるかとは思いますが一応補足を。

お気づきかも知れませんが、前述の説明で、理論物理学派の説明には式を立てると言う部分がばっさり省略されています。本来は理論物理学者の仕事の中核はまさにそれで、高度な数学的能力を要求されるのは言うまでもありません。仮に最終的な結果の数式は簡単だったとしても、それに至る過程では高度な数学的技法が使われているわけですから。

もっとも、実験物理学者もその簡単になった式を証明する実験を計画するために、これまた高度な数学を駆使するのでしょうから同じことかも知れませんが。

省略したのは意図してのことで、定性的な話だけなら、数学が苦手な方でも議論に参加できるかなと思ったからです。

検証結果、楽しみにしています。

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