シャボン玉は、なぜ四角い枠で吹いても丸くなるの？
― 膜が縮む力と、中の空気が押す力。つり合える形は球だけです

星形の枠で吹いても、四角い枠で吹いても、飛んでいくシャボン玉は丸い玉です。形を決めているのは枠ではありません。いつも縮もうとしている膜と、どの向きにも同じ強さで押す中の空気です。この2つがどこでも同じようにつり合える形は、球しかないのです。

丸くなる理由は2つだけ

枠の形が効いているのは、膜が枠についている間だけです。枠から離れた瞬間から、形を決めるのはこの2つの力だけになります。

膜は、面積を減らしたがっている

水の表面には、表面を小さくしようとする力がはたらいています。水の粒どうしが互いに引き合っているからです。葉の上の水滴が丸くなるのも、この力のためです。

シャボン玉の膜は、せっけん水のうすい層です。厚さは髪の毛の数十分の1ほどしかないとされます。この膜にも、表と裏の両面で同じ縮む力がはたらいています。せっけんは膜を破れにくくする役目をしていて、そのおかげで大きく広げられるのです。

では、同じ量の空気を包むとき、どの形なら面積がいちばん小さいでしょうか。答えは球です。図1の右側のように、同じ体積の立方体は、球より表面積が約24%も大きくなります。星形なら、とがった先の分だけ面積はもっと増えます。縮みたがる膜は、角を少しずつならして、面積の小さい丸い形へ落ち着くのです。

中の空気が、形をならしている

膜が縮むだけなら、シャボン玉はつぶれて消えてしまいます。そうならないのは、中に閉じこめた空気が押し返すからです。空気の押す力は、どの向きにも同じ強さです。

もし膜の一部がとがって出っ張ると、そこは曲がり方がきつくなります。曲がりのきつい場所ほど、膜が内側へ引く力は強くなります。すると出っ張りは押し戻されます。逆に平らにへこんだ場所は、空気に押し出されます。こうして、曲がり方がどこでも同じ形、つまり球に落ち着くのです（図1の左）。

中の空気は、外よりどれくらい強く押しているのでしょう。計算すると、直径4cmの玉で外の空気の約2万分の1しか高くありません（最後の折りたたみで計算します）。ほんのわずかな差で、形が保たれているのです。

小さい玉ほど、中の空気は強く押している

ここに、意外な性質があります。膜が内側へ引く力は、玉が小さいほど強くなります。小さい玉は曲がり方がきついからです。そのため小さいシャボン玉ほど、中の空気は強く押し返しています。

大小2つのシャボン玉を管でつなぐと、どうなるでしょうか。風船と同じように「大きいほうがしぼむ」と思いがちです。ところが実際は逆です。図2のように、小さい玉の空気が大きい玉へ流れこみ、小さい玉はしぼんでしまいます。

まとめ

シャボン玉の膜は、いつも面積を減らそうとしています。中の空気は、どの向きにも同じ強さで押し返します。この2つが膜のどこでも同じようにつり合える形は、球だけです。枠が星形でも四角でも、離れてしまえば関係ありません。

シャボン玉の丸さは、枠が決めるのではない。
縮みたい膜と、押し返す空気の「話し合い」の答えが、球なのです。

膜の表面に浮かぶ虹色の模様についてはシャボン玉が虹色に見えるわけで、泡がたくさん集まったときの形の決まりごとはハチの巣が六角形になるわけで紹介しています。

※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。せっけん水が目に入ったときは、すぐに水で洗い流してください。