謎犬の耳

「流れのふしぎ　ー遊んでわかる流体力学のABCー」石綿良三・根本光正（講談社ブルーバックス）

流体力学は難しい。式を追いかけることはできる（と思っている）けど、日常の現象を説明することができるかと言われるとなんかしっくりこない。この本は、数式を使わずに流体力学の面白い現象を簡単な実験をベースに教えてくれる。

P56 渦について。「流体粒子には遠心力がはたらき、流体は外側に押されます。その結果、流体粒子は外へ外へと押され、外側ほど圧力が高くなります。」「外側ではより高い圧力、内側では低い圧力となり、圧力の差によって内向きに力がはたらきます。この力が遠心力とちょうどつり合ったときに、外側にも内側にも移動せず、同じ半径上で円運動を続けます。」何故ここを犬耳したかって？聞かないで（笑）さらに・・・「自由渦は外部からのエネルギーの供給がない場合にできる渦で、渦の中心付近でも外側でも流体の持っているエネルギーは同じ大きさになります。外側では圧力が高いので、その圧力をエネルギーに換算した分だけ運動エネルギーは小さくなり、旋回速度は小さくなります。」納得！

P60 今の応用で「かき回すと内側に集まる茶葉のなぞ」が解ける。茶碗の底に近いところの流体が感じる粘性によって圧力と遠心力が均衡から外れる。二次流れ。

P81 ホースを潰したときに生じるキャビテーションについて。「ホースをつぶしたところでは流速が大きくなります。ここでは、水の運動エネルギーが増加する分だけ圧力が下がります(註：理由はベルヌーイの定理)。蛇口を開けて流速を上げていくと、圧力の減少も大きくなり、やがて気化を始め、キャビテーションが起こりました。白くにごったように見えたのは、水が気化した泡のせいです。」

P90 ここで行っている実験は是非やってみたい。ペットボトルに水を入れ、気泡を少し残す。ペットボトルをスライドさせると、気泡はペットボトルよりも速く動く。同時にビー玉を入れておけば、ビー玉は遅い。慣性力と圧力差の関係でこうなる。ここでは電車の中で風船をもって電車が動き出したときの傾き方が、人と風船で異なることも事例に出ている。これは​YouTube​なんかでも見ることができる有名な実験だ。

P102 ベルヌーイの定理についての実験。この本でも随所で見かけるのだけど、このベルヌーイの定理についての「よくある誤解」について紹介されている。日本機械学会の​このサイト​では「『流れが速いところでは圧力が低い（いつも成り立つというわけではない）』ということをベルヌーイの定理と誤解している人が多くいます。現象によっては間違った説明のほうが多いこともありますので、注意してください。」とある。正直難しい。このサイトでも説明している、P108の「ストローの横に穴をあけて吹くと」はやってみよ。

P123 ここで説明されている「流線曲率の定理」も誤解されていることが多いものだそうだ。「流体の流れが曲がっている場合もこれと同じで、流れている流体には外向きに遠心力がはたらきます。曲がった流線を円弧の一部と考えれば、円弧の外側ほど遠心力で押されて圧力が高くなります。逆に内側ほど圧力が低くなります。これを流線曲率の定理といいます。」

P131 ここの「コアンダ効果（流れが凸な曲面に沿って流れようとする性質）」も「流線曲率の定理」で説明できる。浮かばせた風船にドライヤーで風を送って、直感と反する動きをするのも、蛇口から流れ出る水にスプーンや指を近づけたときに起きる現象も同じ。「物体の上流側に流れがあたり、流線に曲がりができます。物体に沿う流線の曲がりの外側（物体からずっと離れたところ）では大気圧ですが、（中略）曲がりの内側ほど圧力は下がり、物体表面では大気圧よりも低い圧力となります。この圧力差によって、流れは内側方向に押される、つまり物体に付着しやすくなります。言いかえれば、流れは何かのきっかけで曲げられると、さらにその方向に曲がろうとする性質を持つということです。」

P168 「間違えられている翼の原理」というコラムから。「翼は湾曲しているので、翼の上面に沿って流れている流れの方が、下面に沿って流れている流れよりも距離が長くなります。通過時間が同じで移動距離が長いのですから、上面の方が速く流れることになり、ベルヌーイの定理から圧力は低くなります。逆に、下面では流れが遅く、圧力が高くなります。両者の圧力差から上向きの力、つまり揚力がはたらくのです」さて、どこが間違っているのだろうか。

P186 ここでの「やってみよう」は「水の中で、穴をあけたストローの一部を指でつぶすと、穴からまわりの水を吸い込」むという実験。これも面白そうだからやってみたい。ベルヌーイの定理の応用。

P190 「霧吹きの原理」の原理。これもベルヌーイの定理を間違えて使って説明していることがあるらしい。霧吹きでは突起物の存在、突起部での「流れのはく離」が重要だとのこと。

P192 プロペラの原理を説明するための「やってみよう」。ブーメランの原理にも繋がる。「『やってみよう』では、一枚の羽根を曲げておくことによって、一種の回転翼としています。これを回転させると、揚力は回転面に垂直にはたらきます。『やってみよう』では回転面を傾けて飛ばしているので、この回転翼にはたらく力は図のようになります。揚力と重力の合力が、回転面と同じ平面上にあれば、回転面内で飛行して、また戻ってきます。うまい角度ではじき出せば、ほぼ同じ回転面内で元の位置に戻ってくるわけです。」

さて、せっかくの夏休みだし、子供たちとやってみよう。と言っても大学生と高校生の娘たちは見向きもしてくれないかも・・・。中学生になったばかりの息子なら・・・どうかな（笑）

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