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空気は吸い込まれるか噴き出すか?

まずは見てみよう!

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どんな実験?

実験手順と種あかし

  • ホースの途中に分岐管を取り付けて、空気を流します。ティッシュペーパーの動きから分岐管から空気が噴き出すことがわかります。リコーダー(たて笛)を吹いたことがある人なら横穴から空気が噴き出すことは知っていて、この結果が当たり前とわかるはずです。
  • ところが流体力学を誤解していて吸い込むと思っている人もいます。「パイプの中では空気が速く流れ、ベルヌーイの定理から圧力が低くなり、横穴からまわりの空気を吸い込みます」と書かれている科学の本がありますが、これは間違いです。
  • ホースの中では、ホースの内面と空気の流れとの間で粘性摩擦がはたらき、流れにブレーキがかかります。これに逆らって流れるためには上流側ほど高圧、下流側ほど低圧にしなければいけません。ホース出口でほぼ大気圧であり、ホースの途中では大気圧より高圧になりますので空気が噴き出したのです。
  • 似たような実験で、分岐(あるいは横穴)の近くで部分的に管を細くするとそこで流れが速くなり、低圧となり、まわりの空気を吸い込む場合があります(「霧吹き2(間違えやすい原理)」)。しかし、管の太さが一定の場合には、本実験のように空気を噴き出します。
【注意】

「ベルヌーイの定理」を「流れの速い所は圧力が低くなる」ことであると誤解している人が多数います。科学書の執筆者や理科の先生の中にも誤解している人を多く見かけます。科学の入門書では、現時点では間違いの方が多いと感じています。
「ベルヌーイの定理」とは流体(気体や液体)のエネルギー保存則であり、流れに沿った上流側の点(点Aとする)と下流側の点(点Bとする)のエネルギーの総和をくらべると、途中でエネルギーの損失や供給がなければエネルギーの総和は一致するということを表しています。ここで重要なことは、@比較する2点(点Aと点B)は同じ流線上の上流と下流であること、A途中でエネルギーの損失(粘性摩擦による損失など)や供給(途中で扇風機で加速するなど)がないこと、という条件が必要です。その条件が成り立つ場合、2点のエネルギーの総和が等しくなります。前述の2つの条件を満たした上で「2点の高さが等しければ(位置エネルギーが等しければ)、流れが速い所で圧力が低い」ということは正しいのです。
本実験では、ホース内の流れと周囲の静止した空気とでエネルギーを比較することは正しくなく(同じ流線上にない)、さらにホース内では粘性摩擦の影響を強く受けていて下流に進むほどエネルギーが小さく(結果として圧力が小さく)なっています(管摩擦損失)。ホース出口ではほぼ大気圧になるので、その上流側では大気圧より高圧になります。

【キーワード】 管摩擦損失
【関連項目】 糸の輪をくるくる回す霧吹き2(間違えやすい原理)
【参考】 石綿良三「図解雑学流体力学」ナツメ社、P206−209、P216−217.
日本機械学会編「流れのふしぎ」講談社ブルーバックス、P182−185
更新日:2016.8.1