冷凍庫の氷を飲み物に入れると、なぜピキピキと割れるの？
― 氷は、たった数℃の差で自分を引き裂きます

冷凍庫から出したばかりの氷を麦茶に落とすと、ピキッ、パキッと音がして、氷の中に白いひびが走ります。誰もたたいていないのに、氷はなぜ割れるのでしょうか。答えは「外側だけが急に温まってふくらむ」ことと、「氷は引っぱられるのがとても苦手」なことの2つです。計算すると、氷はわずか2℃ほどの温度差で割れうる、とても繊細な素材だと分かります。

氷が割れる理由は、2つだけです

つまり氷は、外から割られているのではありません。温度の違う自分の外側と内側が、たがいに引っぱり合って割れているのです。順番に見ていきましょう。

理由1：表面だけがふくらみ、芯は縮んだまま

家庭の冷凍庫の中は、ふつうマイナス18℃くらいに保たれています。そこから出したばかりの氷は、芯まで同じくらい冷えています。

この氷を飲み物に入れると、まわりの液体から熱が一気に流れこみます。水は空気よりずっと熱を渡すのが得意です。そのため、氷の表面はすぐに0℃近くまで温まります。一方で、氷の中を熱が伝わるのには時間がかかり、芯はしばらくマイナス18℃のままです。

ほとんどの物は、温まるとわずかにふくらみます。氷も同じです。表面の層は「ひと回り大きくなりたい」のに、冷たい芯は小さいままです。外側と内側は1つにつながっているので、ずれを逃がす場所がありません。図1を見ると、外側が芯を外へ引っぱる形になっていることが分かります。

空気の中に置いた氷が割れにくいのは、空気が熱をゆっくりしか渡さないからです。表面がじわじわ温まるあいだに芯にも熱が届き、外と内の温度差が大きく開きません。

理由2：氷は「引っぱり」にとても弱い

氷は硬い物です。かき氷機の刃を当てても、すぐには崩れません。押しつぶす力に対しては、それなりの強さがあります。

ところが、引っぱる力にはとても弱いのです。氷が引っぱりで割れる強さは、押しつぶしで割れる強さの数分の1から10分の1ほどしかないとされています。さらに氷は、ゴムのように伸びて力を逃がすことができません。少しでも限界を超えると、ひびが一気に走ります。

理由1でふくらんだ外側の層は、芯を四方へ引っぱります。つまり芯には、氷がいちばん苦手な「引っぱり」がかかります。ひびが表面ではなく内側に入るのは、このためです。ピキッという音は、ひびが一瞬で広がるときに氷がふるえて出る音です。

では、どれくらいの温度差で割れるのでしょうか。図2で、冷凍庫の温度を変えて確かめてみてください。

図2の棒は、外側が完全に0℃、芯が冷凍庫の温度のまま、という上限の見積もりです。実際には温度は少しずつ変わるので、力はこれより小さくなります。それでも、マイナス18℃の氷では割れる強さを何倍も越えます。氷が「割れて当たり前」の素材だと分かります。

まとめ

飲み物に入れた氷は、表面だけが急に0℃まで温まってふくらみます。冷たい芯は縮んだままなので、外側に四方へ引っぱられます。氷は引っぱりにとても弱く、計算ではわずか2℃ほどの差で割れうる素材です。だからマイナス18℃の氷は、ピキピキと内側から裂けます。

氷を割っているのは、飲み物ではありません。
温まった外側と、冷たいままの芯との「引っぱり合い」です。

同じように温度差で石が割れる話は「川原の石でかまどを組むと、なぜ石が割れて飛ぶことがあるの？」で、水が空気より熱を速く渡す話は「サウナは90℃もあるのに、なぜ平気でいられるの？」で紹介しています。ひびが白く見えるしくみは「氷は透明なのに、雪はなぜ白く見えるの？」が参考になります。

※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。氷の物性値は、作り方・温度・気泡の量によって大きく変わります。