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粉流体の研究は明日を拓く?!
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小さな粒が集まって流体のようなふるまいを見せる。これを粉流体 と呼ぶ。その世界は気体や液体とはずいぶん違った法則に支配され ている。クイズの粉流体は小豆と米を混ぜた混合粉流体である。大 小の粒が不均等に混じりあっている。こうした混ざり方をした混合 粉流体は、当然水などの流体と違ったふるまいを見せる。答えで見 たような不思議なふるまいである。 このような混合粉流体のふるまいが何故に生じるかは、実はまだよ く分かっていないという。しかし次のような仮説はある。粉流体は 樋の底のほうでは遅く、表面では速く流れる性質がある。そして樋 に並行して早い層と遅い層ができ、層ごとに同じ速度で流れようと する。ところが重力により粒子は下層に引っ張られるので下層の粒 子の隙間を縫ってもぐりこもうとする。そこで相対的に大きな粒子 が上に取り残される。これが現在のところの仮説だ。 混合粉流体のふるまいは｢流れの化石｣を作る。ふつう水中の砂が堆 積する時、形も重量も大きな粒子が下になる。ところが時折、これ が逆転している地層が見つかる。そのような層には、かつて強い流 れがあったと推測される。上の小豆と米で見たような現象が起こっ ていたのだ。こうした砂礫の逆転層は、ここに流れがあったことを 雄弁に物語るものなのだ。これが流れの化石である。 クイズから、話は突然、混合粉流体が流れの中できれいに分離する 不思議に飛び込んでしまった。しかし粉流体の不思議を眺めるには もっと身近なものがある。砂時計である。３分計、５分計など土産 物屋で売っているものから、高価な装飾を施された高級品まで、さ まざまな砂時計がある。ふだん何気なく時間を計るのに使っている 砂時計にも、粉流体の不思議なふるまいが詰まっている。 流体の落下を時の経過として計るのが砂時計である。では、何故に 砂でなければならないのか。砂の代りに水を使ったとしよう。する と次のような不具合が出てくる。 ひとつは、砂に比べて同じ時間を計るのに膨大な量の水が必要にな ってしまう点だ。砂時計のような器に水を入れた時、水は流れ出る 速度が一定ではなく、容器内の水量が多いほど素早く流れていって しまう。これは流体の普通のふるまいである。 そこで水時計には、時間の長さの２乗に比例した水を蓄えなければ ならなくなる。つまり１分計と２分計を作る時、砂時計なら２倍の 砂ですむが水時計は４倍の量の水が必要になる。 島根県仁摩町には１年計という巨大な砂時計があるが、これを水時 計で作るとしたら、地上の海水すべてを用意しなくてはならないほ どの量になってしまうはずだという。 ところで砂時計ではさらに不思議なことがある。砂の場合、容器の 中にいくら大量の砂があろうと、流れ落ちる速度は一定である。こ れもまた砂時計がもつ粉流体としての不思議のひとつなのだ。 これに対して水時計において都合の悪いことはもうひとつある。そ れは上に触れたように砂時計なら落ちた砂の量が時間経過に比例す るので３分計の半分の砂が落ちていれば、後１分半だと分かる。 ところが水時計だと水量の多いうちに大量の水が流れてしまい、時 間経過に比例しないから水量が半分に減っていても、その時がどの くらい経過した時点なのかが、きわめて見にくいのだ。流れるとい う点ではよく似ている液体の流体と粉流体だが、そのふるまいはず いぶんと異なるのである。 いま手もとに『砂時計の七不思議』という本がある。砂時計の中に 潜む不思議を手がかりに、粉流体の不思議なふるまいが、分かりや すく、かつ興味深く描かれている。単なる学的解説だけではなく思 索に富んだ粉流体の科学が展開されている。興味のある方には一読 をお勧めしたい本だ。 この本によれば、高速道路を走る車を粉流体と考えると、渋滞の様 子は粉流体のふるまいにきわめてよく似ているという。そこで粉流 体の研究を進めれば、渋滞のない高速道路を作ることも可能になる かもしれないという。また風紋のできかたの研究から、それとよく 似た模様を示すシマウマの縞模様がいかにしてできるかもいずれは 解き明かされるだろうという。 つまり粉流体の持つ属性を研究することで、他のよく似た物理現象 などの属性が見えてくるというのだ。そうした点で実は今、粉流体 に科学者のまなざしが集まりはじめている。粉流体の持つ不思議な ふるまいを解き明かすことによって、積年の科学的難問が解き明か される可能性もあるのだ。粉流体の科学は、未来が楽しみな学問の ひとつだということができる。 以上、ほんとにさらりと流体についてを記してきたが、流体学とは じつはきわめて幅も深さもある学問のようだ。コラムで扱うにはク イズで楽しむぐらいが限度のようである。 例えば、流体の研究から、水着にわずかな突起をつけて渦を起こす と摩擦係数が下がることが実証されて、水泳の記録が驚くほど向上 したことは記憶に新しい。が、なぜそうなるかの本当の理由は分か っていないのだという。また気圧の動きによる風の流れをシミュレ ーションすることもスーパーコンピュータ数台を連ねて行ってもま だ足りないほどだという。流れの世界はそれほどの世界である。 またさらに学ぶ機会があったら流体クイズ第二弾を用意することを お約束して、今回はこれにて失礼させていただきたい(^^ゞ |
[データ] ｢流れをはかる｣ 木村竜治著／日本規格協会刊 ｢砂時計の七不思議−粉流体の動力学｣ 田口善弘著／中公新書 |
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