半球とダックテール

まずは見てみよう！

どんな実験？

実験手順と種あかし

• 「速い所は圧力が小さく、遅い所は圧力が大きい（ベルヌーイの定理の誤解釈）」とは限らないことを実験で確かめてみましょう。
  
• 半球と上にはね上がったブロックをそれぞれ電子天秤にのせて、水平方向からドライヤーの風を当ててみます。それぞれの物体にはたらく上下方向の力を電子天秤で測ってみましょう。
  
• まず、半球に当ててみます。すると、電子天秤の表示がマイナスの値になり、半球には上向きの揚力がはたらいていることがわかります。上面に当たった風が丸い面に沿って曲がり、やや下向きに流出していきます。流れが下向きに曲がることの反作用で半球には上向きの力がはたらきます（運動量理論）。
  
• 上向きの力が発生する理由は、流れが曲面に沿って曲がる所では流線曲率の定理（流れのふしぎp120~135参照）から半球表面で圧力が下がることからも説明できます。
  
• 次に、ブロックに風を当ててみます。すると、電子天秤の表示がプラスの値になり、下向きの揚力がはたらいていることがわかります。ブロックに当たった流れは曲面に沿って上向きに曲がり流出していきます。流れが上向きに曲がることの反作用でブロックには下向きの力（ダウンフォース）がはたらきます（運動量理論）。
  
• 下向きの力が発生する理由は、流れが曲面に沿って曲がる所では流線曲率の定理（流れのふしぎp120~135参照）からブロック表面で圧力が上がることからも説明できます。ここで、流れが速いにも関わらず圧力が大きくなっていることが確認できます。
  
• 「速い所は圧力が小さく、遅い所は圧力が大きく（ベルヌーイの定理の誤解釈）」が正しくないことがわかります。

＊揚力：流れに垂直な方向の力を揚力といいます。必ずしも上向きだけとは限りません。下向きの揚力や横向きの揚力がはたらく場合もあります。この実験のブロックには下向きの揚力がはたらきます。この原理は、乗用車のボディ後部のダックテール（流れを上向きにはね上げてダウンフォースを発生させるしかけ）で応用されています。ダウンフォースによって道路とタイヤの間の摩擦力が大きくなり、走行安定性がよくなります。

＊ベルヌーイの定理の間違った理解：「速い所は圧力が小さく、遅い所は圧力が大きい」という誤解が科学書などでもしばしば見られます。詳細は「ベルヌーイの定理」を参照してください。

• この実験動画はJSPS科研費 18K03956の助成を受けて制作しました。

【キーワード】	揚力、運動量の法則、コアンダ効果
【関連項目】	ななめに浮く風船、丸い物体にはたらく揚力、ベルヌーイの定理
【参考】	石綿良三・根本光正「流れのふしぎ」講談社ブルーバックス、P120－135. 石綿良三「図解雑学流体力学」ナツメ社、P206－209、P214－215、P224.

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