こぼれた水にキッチンペーパーの端をつけると、直接水に触れていない部分まで、じわじわとぬれていきます。紙を立てて下の端だけを水につけても、水面より上へ水が進みます。
水には重さがあるのに、なぜ重力に逆らって上へ進めるのでしょうか。
紙の中では、水になじみやすい繊維が重なり合い、その間に細かなすき間がつながっています。繊維のぬれやすさと表面張力が関わって水がすき間を進むため、下端だけを水につけても上へぬれ広がります。このような現象を「毛細管現象（もうさいかんげんしょう）」といいます。
今回は、一種類のキッチンペーパーを使って、この現象を観察します。テーマは「同じ時間がたつごとに、水は同じ距離だけ進むのか」です。
1．紙の中には、水が通れるすき間がある
紙は、細い糸のような「繊維（せんい）」がたくさん重なり合ってできています。植物を原料とする紙の繊維には、セルロースという物質が多く含まれています。
繊維と繊維の間には、網の目のようにつながったすき間があります。水は、水になじみやすい繊維の表面を伝いながら、このすき間の中を進んでいきます。
紙に入った水は、すき間にたまるだけではありません。繊維そのものも水分を取り込んでふくらむことがあります。この変化を「膨潤（ぼうじゅん）」といいます。
水滴は丸くなるのに、なぜ紙では広がる？
水には、水と空気が接する表面を小さくしようとする「表面張力（ひょうめんちょうりょく）」があります。水滴が丸くなるのは、この働きによるものです。
ただし、水の広がり方は、水自身の性質だけでは決まりません。水分子どうしの引き合いに加えて、水と繊維の表面との引き合いも関わります。
水が繊維をぬらすと、それまで繊維に触れていた空気が、水に置き換わります。水と空気の表面だけでなく、この置き換わりも含めて、全体として安定する方向へ水が広がります。紙では、その先に水が入り込める細かなすき間がつながっています。
水が広がるかどうかは、どんな物質の表面に触れるかによっても変わるのです。詳しくは、水滴はなぜ丸くなる？広がる水との違いを表面張力から解説でも紹介しています。
2．水が上へ進む理由を「力のつり合い」で考えよう
紙の中は複雑なので、まず断面が円形の細い管で考えます。これは仕組みを考える模型で、実際にガラス管を用意する必要はありません。
水になじみやすい内面をもつ管を立てて下端を水につけると、管の中の水面が外より高くなります。管の中では、水面の縁が高く、中央がくぼんだ形になります。
水面の縁では、表面張力が水面に沿って働きます。縁全体での力のうち、上向きの働きを合わせたものが、水を支える力になります。
中学理科の「2力のつり合い」とつながる
十分に長く、太さが一定の管で、蒸発などの影響を除いて考えます。外の水面より上に持ち上がった水の柱を「水柱（すいちゅう）」と呼び、その水柱が静かにつり合う状態に注目します。
- 上向き：表面張力によって水柱を支える力
- 下向き：水柱にはたらく重力（水の重さ）
中学理科では、同じ物体にはたらく二つの力が、同じ一直線上で反対向きになり、大きさも等しいとき、つり合うと学びます。この模型でも、水柱を支える上向きの力と、下向きの重さがつり合います。
水が高くなるほど、持ち上がった水の量が増え、重さも大きくなります。やがて支える力とつり合うので、どこまでも上がり続けるわけではありません。
細い管ほど高く上がる理由は「円周」と「面積」
同じ液体・同じ温度・同じぬれやすさの管で、内径だけを半分にします。内径は管の内側の直径です。
円周の公式は「直径 × 円周率」です。直径が半分なら、円周も半分になります。
円の面積は「半径 × 半径 × 円周率」です。直径が半分になると半径も半分なので、面積は「1/2 × 1/2 = 1/4」になります。
| 比べるもの | 元の管を1としたとき、内径が半分の管では |
|---|---|
| 水面の縁の長さ（内周） | 1/2 |
| 管の断面積 | 1/4 |
水を支える力は、水面が管に接している縁の長さに比例します。一方、同じ高さの水柱の重さは、管の断面積に比例します。
内径を半分にすると、支える力は1/2、同じ高さの水柱の重さは1/4になります。重さが減る割合のほうが大きいため、細い管ほど高い水柱を支えられるのです。
ただし、これは太さのそろった管の話です。紙の中はすき間の太さも向きもばらばらで、繊維の膨潤も起こります。管の高さの決まり方を、そのまま紙全体に当てはめることはできません。また、「どれくらい高く上がるか」と「どれくらい速く上がるか」は別の問題です。
3．キッチンペーパーで、水が上がる様子を見よう
注目するのは、ぬれた部分と、まだ乾いて見える部分の境目です。最初の水面の高さを基準に、境目がどこまで上がるかを追います。
以下は資料をもとにした観察案で、この手順での実物による試行はしていません。紙や容器で見え方が変わるので、まず短く試し、新しい乾いた紙で記録を始めてください。
用意するもの
- 白いキッチンペーパー一種類と、常温の水
- 透明で倒れにくいプラスチック容器。高さ10cm程度が目安。側面が平らなもの
- 容器の口に渡せる鉛筆、テープ、定規、はさみ
- 時計またはタイマー、記録用の紙と筆記具
- トレー、ふきん。必要に応じて、濃い色の台紙や撮影用の機器
道具は、おうちの人に使ってよいか確認しましょう。はさみに気をつけ、電気製品やコンセントから離れた場所で行います。こぼれた水はすぐに拭き取ってください。熱湯、洗剤、火は使いません。
準備：紙の長さと定規の位置を決める
準備中は、まだ紙をぬらしません。
- 容器をトレーに置き、深さ2cm程度まで水を入れます。直射日光やエアコンの風が直接当たらない場所を選びます。
- 鉛筆を容器の口に渡し、鉛筆の下側から水面までの距離を測ります。その距離に、水につける約5mmと、鉛筆に固定するための約3cmを足して、紙全体の長さを決めます。
- 紙を幅約2cm、決めた長さに切ります。二枚重ねなら、はがさず使います。鉛筆をいったん外し、紙の上端約3cmだけを鉛筆に巻きつけ、テープで留めます。下に垂らす部分は折り重ねません。
- 定規を容器の外側に当て、数字が上ほど大きくなる向きにします。0の線を水面の高さに合わせ、下端を浮かせたまま、乾いた容器にテープで二か所固定します。
水面と同じ高さに目線を合わせ、定規の端ではなく「0の目盛りの線」を水面に合わせます。紙は定規に近い側へ垂らし、目盛りと横に並んで見える位置にしますが、壁には触れさせません。紙に目盛りを書く必要はありません。
観察しよう
鉛筆を、距離を測ったときと同じ位置に戻します。紙の下端約5mmが水に入った時刻をスタートとし、鉛筆の両端を容器の縁へテープで留めます。紙が壁や底に触れていないことを確認してください。
30秒ごとなど、同じ時間間隔で境目の高さを読みます。変化が速ければ間隔を短くし、実際に読んだ時刻を記録します。途中で紙を持ち上げたり、握ったりしません。
- 読む位置：境目が波打っていても、毎回「紙の幅の中央」で読む。
- 見る向き：境目と同じ高さに目線を合わせ、正面から見る。紙と定規が前後に離れているため、斜めから見るとずれます。これを「視差（しさ）」といいます。
- 見えにくいとき：後ろに濃い色の台紙を置く。ぼんやりしていれば読めた範囲を書き、読めなければ「読めなかった」と記録する。
- 写真：レンズを境目の高さに合わせ、紙と定規を一緒に写す。機器はトレーの外に置き、ぬれた手で触らない。
水には色をつけません。色素の先端と、水がしみた先端が一致しない場合があるためです。
4．時間と高さを記録しよう
次の表は、自分の結果を書き込むためのものです。時刻は記録の例なので、実際に観察できた時刻に直して使ってください。
| 経過時間 | 最初の水面からの高さ（mm） | 前の観察から進んだ距離（mm） | 気づいたこと |
|---|---|---|---|
| 30秒 | 計算なし | ||
| 1分 | |||
| 1分30秒 | |||
| 2分 | |||
| 2分30秒 |
高さは「最初の水面から境目まで」を測ります。紙の下端からの長さではありません。定規は最後まで動かしません。最初の行には前の観察がないため、進んだ距離は計算しません。
水位は開始時と終了時に確認し、変化も記録します。基準は最初の水面のままなので、水位が変わったときの数値は「その時の水面からの高さ」とは異なります。
予定した時間の前でも、次の場合は、その時刻を記録して終了します。
- 紙の下端が水から離れた
- 紙が壁にくっついた
- ぬれた境目が上の固定部分に達した
途中で水は足しません。終わったら、水と道具を片づけてください。
同じ30秒間に、同じだけ進んだ？
たとえば、30秒から1分までと、1分から1分30秒までを比べます。どちらも30秒間ですが、進んだ距離は同じでしょうか。
「今回の高さ − 前の高さ」を計算し、表の「進んだ距離」に書きます。1分後の高さから30秒後の高さを引けば、その30秒間に進んだ距離の目安です。どちらかの高さが読めなかった区間は、距離も無理に計算しません。
グラフでは、横軸を時間、縦軸を「最初の水面からの高さ」にします。同じ時間に進む距離が小さくなるなら、グラフの傾きもゆるやかになります。
観察の間隔を変えた場合は、横軸の間隔も実際の時刻に合わせます。長さの違う時間区間では、進んだ距離だけで速さを比べないようにしましょう。
5．結果を読み取ろう
水が進む速さは、ずっと同じとは限らない
紙に水がしみ込むとき、ぬれた境目が進む速さは、だんだんゆっくりになる傾向があります。紙を使った研究でも、このような変化が調べられています。
水が先端へ届くには、すでにぬれた部分を通る必要があります。先端が遠くなるほど通り道が長くなり、水が流れるときの抵抗が大きくなります。紙を立てた場合は、持ち上げた水の重さも上昇を妨げます。
これは資料に基づく説明です。「何分後に必ず止まる」という意味ではありません。自分の紙ではどう見えたかを、記録と比べてみてください。
6．見えたことと、説明を分けてレポートにしよう
レポートは、次の順にまとめると分かりやすくなります。
- 目的：何を調べたいか
- 予想：どうなると思うか。その理由
- 方法：使った紙、幅と長さ、水につけた深さ、記録した時刻など
- 結果：実際に見えた変化。表、グラフ、写真やスケッチ
- 考察：結果からいえること、その理由、まだ分からないこと
「何秒後に境目がどこに見えたか」は結果です。考察では、自分の記録を根拠に、予想と比べたり、資料にある仕組みの説明と照らし合わせたりします。
資料を書き写すだけでは考察になりません。「自分の記録のどこから何がいえるか」「ほかの理由も考えられないか」を考えましょう。水分子の引き合いを目で見たわけではないので、観察した事実と仕組みの説明は分けます。
考察の書き方の例
同じ30秒間に進んだ距離が小さくなった場合の例です。実測結果ではありません。空欄には自分の記録を入れ、結果が違えば結論も変えてください。
30秒から1分までは［ ］mm、1分から1分30秒までは［ ］mm進み、後の30秒間のほうが短かった。資料には、先端までの道のりが長くなると、流れへの抵抗が増えるとある。今回の結果はその説明と合う。ただし、水の重さや蒸発も関わるため、原因を一つには決められない。同じ条件で繰り返し、同じ傾向になるか確かめたい。
予想と違った結果や、読み取れなかったところも残します。資料どおりの結果に直す必要はありません。
発展：紙を比べるなら、何を調べるかを決めよう
ぬれた範囲の広さや高さだけでは、吸い込んだ水の量までは分かりません。
| 比べたいこと | 見るもの |
|---|---|
| 進む速さ | 同じ時間に、境目がどれだけ進んだか |
| 広がり方 | どの方向へ、どの範囲までぬれたか |
| 吸い込んだ量 | 重さの増加などで調べる、水の量 |
別の紙と比べる前に、同じ種類の新しい乾いた紙で、基本の観察を繰り返してみましょう。切る向き、幅、長さ、重なり方、水につける深さ、水量、観察場所をそろえます。定規の0も、毎回最初の水面に合わせ直します。
紙の種類を変えると、厚さだけでなく、繊維の重なり方や表面の加工も変わります。違いが出ても、原因を一つに決めつけず、「今回使った紙では、こう違った」とまとめましょう。
なお、紙の帯を細く切っても、中のすき間まで細くなるわけではありません。「細い管ほど高く上がる」という関係を、紙の幅に置き換えることはできません。
もっと知りたい人へ：理想的な管では、どこまで上がる？
第2節のような、十分に長く、太さが一定の管で、蒸発などの影響を除いて考えます。次の表は、25℃の水が内面を完全にぬらす「接触角0°」という条件で計算した例です。
| 管の内径（内側の直径） | 外の水面からの上昇高さ |
|---|---|
| 1mm | 約3cm |
| 0.1mm | 約30cm |
これは理想化した管の計算値で、今回使う紙の測定結果ではありません。紙の上昇高さを、この表から決めることもできません。
中学理科とつなげよう：植物の道管と蒸散
植物の体内では、根から取り込まれた水が、道管（どうかん）などの通り道を通って葉へ運ばれます。葉の内部では水が蒸発し、水蒸気が主に気孔（きこう）から外へ出ていきます。これが葉で起こる蒸散（じょうさん）です。
蒸散で葉の水が失われると、道管の中でつながった水を引く働きが生まれます。水分子どうしの引き合いがつながりを支え、根から葉へ水が流れます。
表面張力や水と壁のなじみやすさも関わります。ただし、水が出入りし続ける植物は、一定の太さの管で静かにつり合う模型とは条件が違います。表の約30cmを、木が水を運べる高さの限界と考えてはいけません。
よくある疑問
毛細管現象は、上向きにだけ起こる？
いいえ。水平に置いた紙で、水が周りへ広がることにも関わります。タオルが水を吸うときや、ろうそくで液体のろうが芯を上がるときも、毛細管現象が働きます。
ぬれた境目が止まったら、水の動きも止まっている？
そうとは限りません。水は沸騰していなくても、表面から水蒸気となって空気中へ出ていきます。これが「蒸発」です。
ぬれた紙から蒸発した分が容器から補われれば、境目が同じ位置でも、紙の内部では水が流れている場合があります。
確認問題：友だちに説明できるかな？
- 紙の中を水が進むとき、繊維のすき間があることのほかに、水や繊維のどんな性質が関わりますか。
- 同じ条件の細い管で、内径を半分にすると、内周と断面積はそれぞれ何倍になりますか。
- 観察中に水位が下がったら、定規の0を動かしたほうがよいでしょうか。
- ぬれた境目が高くまで進んだ紙は、必ず多くの水を吸ったといえますか。
- 植物で、葉から水が失われることが水の流れに関わる現象を何といいますか。
答えと考え方を見る
- 水が繊維の表面になじむ性質と、表面張力です。
- 内周は1/2倍、断面積は1/4倍です。支える力より、同じ高さの水柱の重さが減る割合のほうが大きいため、細い管ほど高い水柱を支えられます。
- 動かしません。今回は最初の水面を基準に、境目の位置を追うからです。水位の変化は別に記録します。
- いえません。ぬれた距離と、取り込んだ水の量は、分けて調べる必要があります。
- 蒸散です。葉の内部で水が蒸発し、主に気孔から出ていくことが、つながった水を根から葉へ引く働きにつながります。
まとめ：一本の紙から、水の動きを追ってみよう
キッチンペーパーの中には、繊維の間につながった細かなすき間があります。繊維のぬれやすさと表面張力が関わり、水はそのすき間を通って水面より上へ進みます。
最初の水面を基準に、ぬれた境目の位置が時間とともにどう変わるかを記録してみましょう。大切なのは、予想に合わせることではなく、見えたことをそのまま残すことです。
参考資料
OpenStax『Chemistry 2e』10.2「Properties of Liquids」。表面張力、ぬれ、毛細管上昇の式と25℃の水の物性値。本文の約3cm・約30cmは、表10.3と例10.4の値・条件を使った計算例。
https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-2-properties-of-liquids
MIT「Capillarity and Gravity」。細い管での毛細管上昇と、重力とのつり合い。
https://web.mit.edu/nnf/education/wettability/gravity.html
Martin A. Hubbe ほか「Swelling of Cellulosic Fibers in Aqueous Systems: A Review of Chemical and Mechanistic Factors」『BioResources』19巻3号、2024年、6859〜6945ページ。セルロース系繊維の水分取り込みと膨潤。
https://bioresources.cnr.ncsu.edu/resources/swelling-of-cellulosic-fibers-in-aqueous-systems-a-review-of-chemical-and-mechanistic-factors/
スバルナキッチ クンティニ、江前敏晴、磯貝明「紙のマクロな構造と吸水挙動との関係」『紙パ技協誌』62巻3号、2008年、325〜335ページ。紙の構造や加工と吸水挙動の関係。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jtappij/62/3/62_3_325/_article/-char/ja/
Noosheen Walji、Brendan D. MacDonald「Influence of Geometry and Surrounding Conditions on Fluid Flow in Paper-Based Devices」『Micromachines』7巻5号、2016年、論文番号73。紙の中で液体が進む距離と時間、紙の寸法や向き、周囲の条件を調べた研究。
https://www.mdpi.com/2072-666X/7/5/73
American Chemical Society「Color Quest」の「Explore the Chemistry」。紙を進む液体と色素の移動を分けて考えるための説明。
https://www.acs.org/education/activities/color-quest.html
National Candle Association「Candle Science」の「How Candles Burn」。液体になったろうが、毛細管現象で芯を上がる説明。
https://candles.org/candle-science/
OpenStax『Biology 2e』30.5「Transport of Water and Solutes in Plants」の「Movement of Water and Minerals in the Xylem」など。道管を通る水の流れ、葉での蒸発と気孔、蒸散によってつながった水が引かれる仕組み。
https://openstax.org/books/biology-2e/pages/30-5-transport-of-water-and-solutes-in-plants
資料確認：2026年11月11日
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