オモシロ流体学4

液体が見せる不思議なふるまい

この実験は｢流れの不安定さが起こす現象のひとつ｣である。このふ
たつの容器の間で起こることを順を追って説明すると、まず真水よ
り重い牛乳が穴から真水の中へ落下しはじめる。しかし、しばらく
すると牛乳の水面が下がり真水への落下が止まる。

すると今度は真水が牛乳の中へ侵入しはじめる。牛乳の水面が下が
ったことでそろっていた圧力にアンバランスが生じたからだ。だが
真水が侵入することで、再び紙コップ内の水面が上がる。

そしてある程度の高さまでくると真水の侵入が止まり、また牛乳の
落下がはじまる。こうした牛乳と真水の落下・侵入が繰り返される
ことで、紙コップの中にやや長い周期の上下振動が長期にわたって
続くことになる。そういう現象なのである。

ある大学の実験室データによれば、周期10秒程度の振動が16日間も
続いていたという。紙コップの穴がもっと大きくて、穴の半分から
牛乳が落下し、同時に半分から真水が侵入して入れば、こういう上
下振動は起こらない。もちろん、穴が２つあっても同様である。

穴が小さいことで、それぞれの流れが一方向とになり、その流れに
よって生じる水面の高さの変化が復元力になって、振動が持続する
というのだ。この実験は｢牛乳の間歇(かんけつ)泉｣と呼ばれている。

水の振動に関していえば、こんな面白い噴水もある。ところはドイ
ツ・ハイデルベルクの古城である。庭に作り上げられた噴水が、吹
き上げる水の高さを一定周期で変えて踊っている。機械仕掛けなら
めずらしくもない風景だが、何世紀も前に作られたものだという。

それらしい仕掛けもあるようには見えない。観察を続けるうちにそ
の噴水が何故一定周期で水の高さを変えて踊るかの理由が見えてく
る。それは表面に起きる水の振動波のためであった。

一定の水量が吹き出すように作られた噴水は、受け皿の中心から吹
き出していた。しかも吹出し口が受け皿の水面とほぼ同じ高さ。そ
のため、落ちてくる水が受け皿の中に周期的な波を作っていて、時
折、吹出し口を波でふさいでしまう。その時、噴水は自然と低い水
柱を上げることになるのだ。

しかも噴水から吹き出す水の量が周期的に変化するため、落ちてく
る水の勢いも変わり、その変化がまた、波の周期を変化豊かに持続
させる。かくしてこの噴水は、機械的なコントロールをまったくし
ていないのに、自ら水の高さを変えて踊ることになったのだ。

この噴水システムが、当時の製作者によって意図的に作られたもの
かどうかは不明だというが、もし意図的であるとすれば、実にみご
とな自励振動系のシステムであるということができよう。

こうした液体の流体が示す興味深い現象は『流れをはかる』に詳し
く載っている。ぜひ読んでみていただきたい。

[5]へ続く