なぜガラスは割れるの?『チコちゃんに叱られる!』

2020/4/3放送の『チコちゃんに叱られる!』
アン ミカさん、北島 康介をゲストに迎えています。

チコちゃん「なぜガラスは割れるの?」

実は傷だらけだから

詳しく教えてくださるのは、ガラスの研究を長年続けている長岡技術科学大学の本間剛准教授です。

ガラスは砂から作られている

ガラスは砂を溶かして作っています。
ガラスの主な原料となるのが「珪砂」と呼ばれる砂です。

珪砂に炭酸ナトリウムや石灰石などを加えて約1600℃の高温で溶かし、薄く伸ばしてから冷ますことで我々がよく目にする板状のガラスができています。

ガラスの表面はツルツルに見えますが、顕微鏡で100倍に拡大して見ると傷だらけであることがわかります。
この小さな傷がガラスの割れる原因となります。

そもそも、できたばかりのガラスには傷はありませんが、私たちが使用するうちに意外にも簡単にたくさん傷がついてしまうのです。

ガラスは成分が綺麗に並んでいるからこそ割れやすい

顕微鏡で見なければわからないほど小さな傷がなぜか割れる原因になるのでしょうか?
その秘密はガラスの原子配列に隠されています。

ガラスの表面をさらに数千倍に拡大してみると凹凸のない平らな状態です。
つまりガラスの原子配列は成分が均等に並んでいる状態になっているということです。

逆に金属を同じ倍率で見ると表面がでこぼこして隙間があることがわかります。
なので、金属成分が不規則に並んでるということです。

そしてこの成分の配列の違いによって外から力が加わった場合 大きな違いが出てきます。

ガラスは外から力が加わったときにその力がまっすぐ伝わっていきます。
なので、少ない力で簡単に割れます。

逆に、金属の場合 成分に力が遮られてしまい、すごい大きく方法変えないと力が伝わってきません。
そのために割るには大きな力が必要です。

ガラス表面の傷は紙に折り目をつけるのと同じ

例えるなら、紙を破るときに何もせずにそのまま横から引っ張ると破れ方がギザギザになるし、力も結構要りますよね。

これが紙に折り目を付けた場合、まっすぐに少ない力で破れます。
ものすごく簡単に言うと、ガラスには傷に沿って最初から折り目がついているような状態だと思ってください。

ちなみにガラスの傷は例えるならスナック菓子の袋にある切れ込みのようなものです。
切れ込みのない部分では力が分散してうまく切れませんが、切れ込みのある部分は力が集中するので簡単に切ることができます。

ガラスの場合も同様に、表面の傷に力が集中してこの力がまっすぐに最短で伝わることで簡単に割れているのです。
逆に起点になる傷がないとガラスは割れません。

割れない強力なガラス「オランダの涙」

「オランダの涙」の作り方

ちなみに割りにくいバランスを作ることは簡単にできます。
先生が用意したのはガスバーナー・ガラス棒・水の入ったビーカーです。

まずはガラス棒をガスバーナーを使って溶かしてきます。
ガラスが溶けて水の入ったビーカーに落ち、ガラスは水で冷やされて水滴のような形になります。

これが普通のガラスよりも何倍も強い「オランダの涙」と呼ばれるガラスです。
このオランダの涙は金槌で叩いても割れないほど強力なガラスです。
その強度は鉄と同等ともいわれるほどです。

ガラスの表面の内側に縮もうとする働きがガラスを強くさせている

なぜこんなにも頑丈なのでしょうか?
ガラスを水で冷やしたときに外側と内側にできる温度差がポイントです。

この温度差が作用してガラスの表面に内側に縮もうとする力が働きます。
この内側に縮もうとする力が色々と作用して頑丈になっています。

スタッフ「だいぶ説明を省略しませんでしたか?」
先生「全てを理解してもらうには、私の研究室に入ってもらわないといけませんね」

ご興味がある方はぜひ先生の研究室にお入りください。

力の均衡を崩すと「オランダの涙」が破裂する

こんなにも頑丈な「オランダの涙」にも欠点があります。

さきほどは金づちでみ太い方を叩きましたが、今度はガラスの細い方をペンチで切ります。
すると細い部分をペンチで切った瞬間 オランダの涙全体が一瞬で粉々になりました。

先ほど言った表面の縮もうとする力以外に内部には実は外側に広がろうとする力が生まれていて均衡が保たれていました。
先端の弱い部分を切るとその力の均衡が崩れて…まあいろいろあってバーンと割れます。

スタッフ「まただいぶ説明を省きましたね?」
先生「先ほども言いましたが、全てを理解してもらうには、私の研究室に入ってもらわないといけませんね」

先生の研究室がある長岡技術科学大学への詳しい入学方法は長岡技術科学大学ホームページをご確認ください。

あとがき

「オランダの涙」最近各番組で目にするようになりました。ブームでしょうか?

さておき、ガラスの表面はツルツルしていると思いましたが、目に見えないだけで意外と傷だらけなのですね。
長年使っている古いガラスは割れやすくなっているから気をつけないといけないということですね。

ガラスが割れてしまわないように表面をコーディングするのはアリかなと思いました。
防犯でガラスの表面に防犯フィルムに貼るのもそれ効果かもしれませんね。

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