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空気の流れってどんな力?!
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ロートの口からストローで吹き込まれた空気は、一定速度でピンポ ン球に当たり、その球面に沿ってロートとの間を流れていく。とこ ろがピンポン球とロートの間は狭くなっているため、吹き込まれた 空気は速度を速めて通過する。この時、気流の速度が速い分だけ気 圧が低くなる現象が起きる。 一方、ピンポン球の下側にたどり着いた空気は、再び緩い速度に戻 っているためロートとピンポン球の隙間を流れている空気より気圧 が高くなっている。そのためピンポン球は下側の気圧に押し上げら れるかたちになり、持ち上げられてゆくロートに、まるで吸い付い たように、一緒に上がってゆくのである。このようにピンポン球が 気圧に押し上げられる流体の力のはたらきを｢揚力｣という。 空気などの流体には、｢流体内部の圧力は方向によらず等しい｣とい う｢パスカルの原理｣が支配している。例えば１枚の板を水平に持っ てみる。この時、板の下面に注目してみるとそこには１平方メート ルあたり10トンという大気圧が上方に向けてかかっている。 だがそれなのに手を離せば、気圧に持ち上げられているはずの板は 落ちてしまう。それは板の上面からも同じ大気圧が下方に向けてか かっているからで、結局は気圧の力では浮かない。結局板の重さで 落ちてしまう。気圧に注目するとこういう書き方になる(^^ゞ この板を空中に浮き上がらせるには、板の下面の気圧を現在より高 くするか、逆に板の上面の気圧を低くしてやればいい。ホバークラ フトと呼ばれる水陸両用の乗物は、前者の原理を応用している。船 の底板の下側を周りだけ囲ってやれば底のない空気の部屋ができる が、そこにプロペラで空気を送り込んでやる。するとその部屋の気 圧が板の上面より上がってより大きい圧力を持ち、底板の下面を押 し上げる。これがホバークラフト浮上の原理だ。 これに対し後者を利用したものが、飛行機や鳥類、また蝶などの昆 虫が空を飛ぶ原理である。飛行機が発明される遥か以前に鳥や昆虫 は空を飛んでいた。彼らはその羽を下に押し下げることで翼の下面 の圧力を高くし上面の気圧を低くする。つまり空気を蹴ることで揚 力をつけて飛んでいたのだ。 しかし押し下げた翼をそのまま戻しては翼の下の気圧が再び低くな ってしまう。そこで羽の角度を変えて圧力が下がらないようにすり ぬけさせ、再び羽で空気を蹴る。こうしたことを連続的に行うこと によって、羽ばたく鳥の周りには空気の渦ができ、身体の上面の空 気圧を薄くすることができるようになる。こうして空気より重い身 体を空中に浮かび上がらせることができるようになるのだ。 鳥が飛び立つ時、周囲の空気を特殊な装置で観察すると１回の羽ば たきごとに外側から内側に向かうドーナツ状の空気の流れが、飛ん でいく方向に点々とできる。空気を羽ばたきごとに蹴って飛んでい く過程がそこに見えるという。そして上空に上がって風をつかんだ 後は羽を広げ、風の力で揚力を得て空中に浮遊する。この時のさま が、飛行機の飛ぶ原理と同じなのである。 半月型の断面を持つ翼に前方から空気が当たると翼上面のカーブに そって空気が速度を上げて流れるようになる。周囲を一定の圧力で 囲まれているため翼上面のカーブは、ちょうどピンポン球とロート の隙間を通るのと同じようになるのだ。 その結果、翼上面の気圧が下面より低くなって、翼下面の気圧が翼 を押し上げるかたちになり飛行機は空に浮かぶことができるように なる。このような｢流れが速いほうが圧力が低くなるような関係｣を 一般に｢ベルヌーイの定理｣と呼ぶ。 ではいったい、飛行機の翼はどれほどの重さを空中へ運ぶことがで きるのだろうか。1976年に ジャンボジェット機が樹立した420トン という記録が十数年のあいだ破られずにいたが、現在では積載総重 量600トン以上という輸送機が空を飛んでいるという。 空気の流れは流体である。ではそもそも流体とはいったい何であろ う。流体や流れをあつかう学問を流体力学というが、そこでは以下 のような定義が 行われている。｢気体や液体は変形しやすく、その 運動の性質は非常に似ている。そこで、気体と液体をまとめて流体 と呼び、流体の運動を流れという｣と。 では｢流れ｣という｢流体｣の運動はどうして起きるのだろうか。そこ に関わってくるのが｢圧力｣である。圧力とは、気体や液体が容器の 壁などに与える力であり、この力は、気体や液体の分子が動き、飛 び回ることによって発生する力である。 この圧力が流体に流れを起こさせる原動力なのだ。流体は、熱など によってエネルギーを与えられてその圧力を高める。そして圧力の 高いところから低いところへ移動しようとするのだ。この時生まれ るのが｢流れ｣という流体の運動である。高気圧から低気圧へ大気が 流れ込み移動するのが、風という名の流体の流れである。 また流れでは流体の｢粘性｣という性質も見逃すことができない。そ して流体は、単純化していえば、この圧力と粘性のバランスで流れ の姿を作り出す。例えば、水はさらさら流れ、水飴はどろっとして いて流れにくいというように。この関係を 表したものを｢レイノル ズ数｣という。イギリスの工学者レイノルズが パイプの中を流れる 水流の性質を数値で表したもので、レイノルズ数が小さいほど粘性 が高く流れがゆったりし、大きいほど流れは早くなる。 ことにレイノルズ数230が分かれ目となり､この数より小さいとパイ プの中の流れは｢層流｣と呼ばれる きれいにそろった流れとなり230 以上では｢乱流｣と呼ばれる、まさに乱れた流れになるのだ。 ただ、層流が乱流になるための芽となる撹乱因子をていねいに取り 除けば乱流発生の境目となるレイノルズ数は、撹乱因子を取り除い た割合に応じて大きくすることもできるという。流体に関するちょ っとした解説を試みたが、分かりにくかったかもしれない(^^ゞ ここまでは気体の流体に関する話。続いてクイズ第２弾。答えは三 択。液体の流体が示すオモシロエピソードを少々ご紹介しよう。 |
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