コーヒーを持って歩くと、なぜこぼれるの？
― カップの中の水面には、揺れやすい「リズム」があります

手はほとんど傾けていないのに、数歩あるくとカップのふちから液体があふれます。原因は手の不器用さではありません。カップの中の水面には「この速さなら揺れやすい」というリズムがあり、それがちょうど人の歩くリズムの近くにあるのです。

こぼれる理由は、2つだけです

ブランコを思い出すと分かりやすいです。ブランコは、ちょうどよいタイミングで小さく押し続けると、どんどん大きく揺れます。カップの中のコーヒーにも、それと同じことが起きています。

カップの中の水面は、決まったリズムで揺れたがる

カップを軽く横にずらして止めてみてください。水面は片側が上がり、次に反対側が上がる、という往復をしばらく続けます。この往復には、カップごとに決まった速さがあります。これを「固有のリズム」と呼ぶことにしましょう。

このリズムは、主にカップの幅で決まります。幅が広いほど、水は長い距離を行き来するので、ゆっくり揺れます。幅がせまいほど、せわしなく揺れます。

ふつうのマグカップ（直径7センチほど）では、1秒間に3〜4回ほど往復するとされています。一方、人が歩くときの手は、1秒に2回ほど前後に揺れます。さらに、歩く揺れはきれいな一定の揺れではなく、その2倍の速さの細かい揺れも混ざっています。図1の右のグラフを見てください。マグカップの山のてっぺんは、歩く揺れの成分が集まる帯のすぐそばにあります。

リズムが重なると、手の揺れは小さくても、水面の揺れは大きく育ちます。これを「共振」といいます。小さいカップは山が右へずれるので、歩く揺れと重なりにくくなります。おちょこがこぼれにくいのはこのためです。

揺れは止まりにくく、一歩ごとに足し算される

水はさらさらしていて、揺れを止めるブレーキがとても弱い液体です。一度揺れはじめた水面は、何往復もしてからやっと静まります。

だから、揺れが消える前に次の一歩がやってきます。タイミングが合っていれば、前の揺れの上に新しい揺れが重なります。最初の数歩は平気なのに、5歩目、6歩目で急にあふれるのはこのためです。

カップと液体のリズムを調べた研究では、歩きはじめの加速がいちばん大きな揺れのきっかけになるとされています。また、カップから目を離して速く歩くほど、手の細かいぶれが増えて、こぼれやすくなると報告されています。

じゃあ、どう運べばいいの？

しくみが分かると、こぼさないコツも自然に出てきます。

• ふちまで入れない。少し余白があれば、揺れが育ってもあふれるまでに時間がかかります。
• 歩きはじめを、そっと。最初の加速が揺れの大きなきっかけになります。
• カップを見ながら、ゆっくり歩く。歩く速さが落ちると、揺れのリズムが水面のリズムから離れます。
• 幅のせまい容器で運ぶ。水面のリズムが速くなり、歩く揺れと重なりにくくなります。

まとめ

コーヒーがこぼれるのは、手がふるえているからではありません。カップの水面が持つ揺れやすいリズムが、歩く揺れと重なり、止まりにくい揺れが一歩ごとに積み上がるからです。

こぼしているのは手ではなく、
水面と足のリズムが合ってしまうことです。

同じ「タイミングよく押すと大きくなる」しくみは、風で揺れる橋やビルや、こぐだけで高く上がるブランコでも主役です。水面を伝わる揺れそのものについては、池に広がる丸い輪の記事もどうぞ。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。熱い飲み物を運ぶときは、こぼしても人にかからないよう周囲に気をつけてください。