ガリレオ温度計

24度を示すガリレオ温度計　24度の球が中央に浮かんでいる

ガリレオ温度計（がりれおおんどけい）は、 透明な液体といくつかのさまざまな密度のガラス器とをふくむ、密閉されたガラス製の円筒で作られた温度計である。 温度が変化するにつれて、それぞれの浮きは、それぞれの密度に比例して上昇し、あるいは下降する。

これはガリレオ・ガリレイにちなんで命名されているが、それは彼がこの温度計が基礎を置く、液体の密度はその温度に比例して変化するという原理を発見し、そしてこの原理に基づく温度計を発明したからである。

起源と命名

イタリアの物理学者ガリレオ・ガリレイにちなんで命名されたけれども、この記事で述べられる温度計は、彼によって発明されたのではない。 ガリレオはたしかに、1603年またはそれより前に、ガリレオの空気温度計（Galileo's air thermometer）（より正確には温度見（おんどみ、thermoscope）と呼ばれる）という温度計を発明した。 いわゆる「ガリレオ温度計」（'Galileo thermometer'）は、フィレンツェのアカデミア・デル・チメントとして知られる一団の学者と技師によって発明され、そのなかにはガリレオの弟子エヴァンジェリスタ・トリチェリおよびトリチェリの弟子ヴィンチェンツォ・ヴィヴィアーニをふくむ。 温度計の詳細は、アカデミーの主要な刊行物『 Saggi di naturali esperienze fatte nell'Academia del Cimento sotto la protezione del Serenissimo Principe Leopoldo di Toscan e descrittedal segretario di essa Accademia』（1666年）に発表された。 この著作の英訳（1684年）は、この装置（「第5の温度計」（'The Fifth Thermometer'））を「ゆっくりしていて怠惰だ」（'slow and lazy'）と評し、この評は装置のイタリア語での別名termometro lento（ゆっくりとした温度計）に反映されている。 外側の容器は、「ブドウ酒の精留エタノール」（濃縮されたエタノール水溶液）で満たされていた： これらのガラス泡の重さは、密封された端で少量のガラスを研磨することによって調節された。 そして小さな気泡空間が主容器の上端に「酒が希薄になる」[すなわち膨張する]ように残されていた。

いま、ガリレオ温度計と称される装置は、現代においてロンドン自然史博物館に復活させられ、博物館は1990年代に売り始めた。

作動の理論

球体のクローズアップ

ガリレオ温度計は浮力の原理で動く。 浮力は、ある液体のなかの複数の物体が浮かぶかそれとも沈むかを決定し、（混ぜ物の無い鋼鉄の棒が沈むいっぽうで）鋼鉄の船でさえ水に浮かぶ原因である。

特定の液体のなかで或る大きな物体が上昇するかあるいは下降するかを決定する唯一の要因は、液体の密度に関連のある物体の密度である。 もし物体が液体よりも密度が高いならば、それは下降するが、それは、それが押しのけた液体よりもそれが重いからである。 もし物体が液体よりも密度が低いならば、それは、下降しはじめ、やがて押しのけられた液体の重さが物体の重さと等しくなる。 そのとき、それはその深さで浮かんでいる。

図 1

かりに物体が2つあり、それぞれ1リットルの体積があるとする。 この寸法の1つの物体によって押しのけられる水の質量は、1キログラムである。 左の褐色の物体は浮んでいるが、これは、もしこれが完全に水没させられればそれが押しのけるであろう水の質量（1キログラム）が物体の質量よりも大きいからである。 それはなかば水没させられて浮かんでいるが、これは、押しのけられた水の質量（0.5キログラム）が物体の質量と等しいからである。 右の緑色の物体は沈んでいるが、これは、物体が押しのけている水の質量（1キログラム）が物体の質量（2キログラム）よりも小さいからである。

図 2

上に述べた緑色の原材料で作られたすべての物体が沈むものであるとはかならずしもかぎらない。 図 2において、緑色の物体の内部は刳り抜かれている。 物体の全質量はいま、0.5キログラムであるが、それにもかかわらずその容積は同じままであり、そのために、それは、図 1における褐色の物体のように、浮かんでいる。

上に述べた複数の例において、複数の物体が浮かんでいる液体は水であると仮定されている。 水は1リットル当たり1キログラムの密度があり、 これは、上に述べた物体のいずれであれ完全に水没させられれば押しのけられた水の質量は1キログラムであるということを意味する。

ガリレオは、液体の密度はその温度の関数であるということを発見した ガリレオ温度計が作動するさいに鍵となるのはこういうことである ：だいぶぶんの液体は、温度が高くなるにつれて、密度は低くなる

図 3

図 3は、緑色の原材料で作られた1キログラムの中空の物体を示す。 左の容器では、液体の密度は1リットル当たり1.001キログラムである。 物体の重さは、それが押しのける水よりも小さいから、それは浮かんでいる。 右の容器では、液体の密度は1リットル当たり0.999キログラムである。 物体の重さは、それが押しのける水の質量よりも大きいから、それは沈む。 これは、液体の密度のごく小さな変化が、ほとんど浮かんでいる物体を簡単に沈ませることができることを示す。

ガリレオ温度計では、小さなガラスの球体はさまざまな色の液体に部分的に満たされている。 これらの液体の構成は温度計の機能にとって重要ではない。 これらは一定の重さとして機能するのみで、そしてそれらの色は装飾のためである。 ひとたび手吹きの球体が密閉されれば、それらの有効密度は、それらの下にぶら下がる金属製の下げ札によって調節される。 色づけられた液体と球体内の空気のすきまとの温度変化による膨張がどれほどあっても、 これらの原材料は一定の寸法のガラス球内に密封されているため、 温度計の作動に影響しない。 球体が没せられている透明な液体は、水ではなく、なにか、温度による密度の変化が水よりも大きい有機化合物（たとえばエタノール）である。 温度の変化にともなう、透明な液体の密度のこの変化は、球を上昇させあるいは下降させる。

図 4

図 4は、2つの温度でのガリレオ温度計の図式的な表現を示す（この例の温度表示は、華氏である）。

あるモデルにおいては、もし上端にいくつか球体があり（図 4　左）そして下端にいくつかあるが、しかし空隙に浮いているただ1個（緑色の華氏76度）が温度を示す。 もし空隙に球がないならば（図 4　右）、空隙の上方と下方にある球体の値の平均がおおよその温度を示す。 またあるモデルにおいては、最も低く浮いている球体がおおよその温度を示す。

球体と重りは、たがいに妨害しあわない大きさに作ってあるが、それは、積み重なる順番をたもつように少なくとも管の直径の半分の寸法であるか、またはそうでなければ、管内でたがいにとどこおりなくすれ違うように管の直径よりもはるかに小さい寸法であることによる。

参考項目

• 浮沈子