なぜ複数のロウソクの炎の揺らぎは同期するのか - 山梨大などが謎を解明

山梨大学と東京大学は10月26日、複数のロウソクを組み合わせた時に起こるロウソク同士の炎が同期振動する現象について科学的に解明したと発表した。

同成果は、山梨大学 環境科学科の島弘幸 准教授と学部生の岡本佳子さん、同大学 教育学部の木島章文 教授、東京大学の梅野宜崇 准教授らによるもの。詳細はNatureグループの電子版論文誌「Scientific Reports」に掲載された。

市販のロウソクを数本束ねて火をともすと、その炎は上下に激しく振動するが、例えば、それを3つ用意して、三角形を描くように配置すると、それぞれの炎は互いに足並みを揃えた振動を示す(同期現象)。こうした同期現象は、リズムを刻む固体同士が近づくことで、集団レベルの大きなリズムが生まれる現象で、心臓の鼓動(多数の細胞が互いに同期している)やホタルの集団の光の明滅、壁掛けの2つの振り子時計の振り子の振れるタイミングなど、人間の生活の中で数多く見られる。

今回、研究グループでは、3つの太いロウソク束をアクリルケース内に配置して点火し、束同士の間隔を変えながら燃焼の様子を動画で撮影。解析として、画面内の白黒画素値の時間変化を追うことで、3つの炎の振動が次第に同期していく様子を調べたという。

その結果、3つの炎はロウソク束間の距離に応じて、4種類の異なる同期振動パターンを示すことが判明したという。中でも3つの炎の相互作用を通じて、炎の形が垂直方向に細長く伸びたまま静止する「Deathモード」(=振動振幅の"死")というパターンは、一度発現すると、極めて安定であることを発見。仮に、横から風などを吹きかけて、炎の形を一時的に乱しても、数秒で同モードは復元され、再び静止状態に戻るとのことで、この発生機構の考察を行ったところ、その発生原因が炎の周囲を取り巻く強い上昇気流同士の相互作用にあるという結論を得たという。

なお、研究グループでは、もともとロウソクの燃える仕組みは、英国の科学者ファラデーの名著「ロウソクの科学」で良く知られる通り、物理と化学のエッセンスに富んだ現象であるが、今回の成果が、そうしたロウソクの科学に新たな知見を与えるものとなると説明するほか、科学に興味を持つ子供たちへの啓蒙につながれば、との期待を述べている。