流れ　2023年11月号　目次

―　特集テーマ：2023年度年次大会　― 巻頭言 （森，金川） なぜ間違いは伝達・拡散するのか？（流体力学に関する誤認識の拡散とその防止） 石綿 良三（神奈川工科大学） デジタルツイン数値タービンへの道 山本 悟（東北大学） 多チャンネルマイクアレイを用いた乱流境界層と翼・平板結合部における乱流壁面圧力変動場の計測 中 吉嗣（明治大学） 感圧・感温塗料を用いた壁面の圧力・温度場計測とその応用 江上 泰広（愛知工業大学） MEMS差圧センサを用いた流れ計測 高橋 英俊（慶應義塾大学）， 岸本 卓大（慶應義塾大学），小原 慧（慶應義塾大学），嶋田 恭大（慶應義塾大学） フレキシブルシートセンサを用いた流れセンシング 元祐 昌廣（東京理科大学） 　｜　リンク一覧にもどる　｜

 

なぜ間違いは伝達・拡散するのか？（流体力学に関する誤認識の拡散とその防止）

石綿 良三 神奈川工科大学

はじめに

広く誤認識が拡散している流体力学

　2023年9月5日，東京都立大学で開催された年次大会講演会において基調講演を行った（図1）．そのときの講演内容の概略とともに，時間の関係で割愛した部分の補足も含めて報告する．何よりもデモ実験の機材を持ち込んでいたにも関わらず，時間の関係で一部しかお見せできなかった点は残念である．後述のように実験動画を見るよりも実際に見ることのほうが効果は大きい．なお，本講演の一部は機械学会誌2021年9月号にも記載したものである⁽¹⁾．

　流体力学に関連する現象や実験にはふしぎなものが多く，広く科学入門書やインターネットの書き込みなどで取り上げられている．しかし，原理が誤認識されている例も多数散見される．このような誤認識は古くは物理学の教科書などにも見られ，長期間に渡って広範に伝達，拡散されてきた歴史がある^{(1), (2)}．

図1　ドライヤーでボールを浮かす

誤認識が拡散されてきた歴史

ベルヌーイの定理に代表される誤認識

　流体力学における誤認識は，古くは明治維新後の科学の教本にも見られ，日本国内では欧米からの教本に由来して根づいたものも多いと考えている．1960年代には，ロゲルギスト（今井功を含む科学者グループ）が当時の物理の教科書において原理の誤認識が散見されると指摘している⁽³⁾．また，種子田はさまざまな場面の誤認識を指摘し，警鐘を鳴らしていた⁽⁴⁾．それにも関わらず，それらの誤認識は物理の教科書で代々伝達され続け，さらに一般向けの科学書などへ広く拡散していった歴史がある⁽²⁾．

　有名な代表例は翼の原理に関する誤認識である．その説明は，図2⁽⁵⁾の通り「飛行機の翼において前縁で別れた上下の流れは同時刻に後縁に到達する（間違い）．翼の上面は下面に比べて距離が長く，流れが速く，圧力が低い．一方，下面では圧力が高く，上下の圧力差から揚力が発生する」というものである⁽⁵⁾．この誤認識は，今井や種子田によって指摘されていたが，現在でも科学書やインターネットの書き込みなどで幅広く拡散している．一方，それが間違っているという指摘も有名で広く見られ，それらの真偽についてネット上での議論も見られる．

図2　間違った翼の原理⁽⁵⁾

　流体工学部門ホームページの楽しい流れの実験教室⁽⁶⁾で2010年2月に公開した「翼の原理」(図3)⁽⁷⁾では，運動量変化から揚力発生の原理を説明している．すなわち，翼の上流側で水平な流れが翼を通過した後では下向きに曲げられる．翼を含む領域で検査体積をとり，前後の運動量変化から流体には下向きの力がはたらき，その反作用として翼に上向きの揚力がはたらくと説明できる．この説明では不十分であるとの意見を聞くことがあるが，揚力の発生を説明するだけであれば物理学的にもこの運動量理論で十分と考えている（ただし，はく離がなく空気は翼に沿って流出していることを前提とする）．

図3　翼の原理⁽⁷⁾
https://jsme-fed.org/experiment/2010_2/002.html

デモ実験で得た教訓

　2007年，機械学会流体工学部門講演会で特別講演を行った際，ブロワに付けたビニールひもを使い翼模型まわりの流れを可視化した．翼の上下とも流れは下向きに曲げられ，そのことから揚力が発生する理由を説明するというものである．この実験は小学校への理科教室でも実演し，（ただし作用反作用などの用語は使わずに）翼の原理を説明しているが，理解できたという児童も少なからずいる．今回の講演でも実演を行う予定であったが，時間が足りなくなりお見せできなかった．

　実演の目的の一つは，2007年の講演の際に，迎え角を大きくしたときのはく離の様子を見せてほしいとの会場からのリクエストに応えて実験したが，迎え角を30～40°にしてもはく離が起こらなかった経験があり，そのときその理由が説明できなかったからである．講演後，その理由がコアンダ効果によるものであると気づいた．

　一様流中で実験すれば，迎え角20°くらいにすればはく離するはずである．この実験ではブロワによる噴流で実験しているので，コアンダ効果により流れは物体後方にまわり込みやすくなり，はく離が起こらなったのである．今回の講演でそれを実演したいと思っていたが時間がなく，本報告で説明させていただいた．このときの教訓は，理科教室ではドライヤーなどで物体まわりの流れを演示しているが，一様流における状況とは違う現象が起こっているということを注意しなければいけないという点である．一様流でも噴流でも定性的に同じ現象を再現できるのであればよいが，そうでない場合がある．

　歴史が古く，明治元年（1868 年）の科学教本にも見られる誤認識の一例が霧吹きの原理である．図4⁽³⁾の左図では管路が途中の点Bで絞られ，流れが速く，圧力が下がり，下部から水を吸い上げることができる（正しい）．間違った説明は「右図において，点Cでは流れが速く，ベルヌーイの定理から圧力が下がり水を吸い上げる（間違い）」というものである．実際には，ベルヌーイの定理は成り立たずノズルで吹き出すだけでは低圧にはならない^(3),(4)．この誤認識は，明治維新以降，欧米から入ってきた科学書に由来すると考えている．100年近く時を隔てて，1960年代の物理の教科書にもこの間違いが散見されていたという⁽³⁾．

　楽しい流れの実験教室で2013年8月に公開した「霧吹き２（間違えやすい原理）」(図5)⁽⁸⁾では種子田⁽⁴⁾による説明を用いた．

図4　霧吹きの原理⁽³⁾

図5　霧吹き ⁽⁸⁾
https://jsme-fed.org/experiment/2013_8/003.html

　流体力学に関連するさまざまな誤認識は多いが，その中でもベルヌーイの定理に関連するものは特に多い^(2),(5)．そのような誤認識の多くは「流れの速い所では圧力は低く，流れの遅い所では圧力が高い」ということがベルヌーイの定理であるという誤認識が根底にあると考えられる．

　 ベルヌーイの定理は，流体に関する力学的エネルギー保存則であり，
(1)同一流線上の上流と下流でエネルギーを比較する．
(2)途中でエネルギーの損失や供給がない．
という２つの条件が満たされないと成立しない⁽⁸⁾．これらの前提条件を無視してベルヌーイの定理を適用して，原理の理解を間違えている事例が非常に多い．無条件に「流れの速い所では圧力は低く，流れの遅い所では圧力が高い」とは言えないのである．

　このような間違いの典型例が図6⁽⁵⁾の噴流の圧力である．たとえば，「息を強く吹いたり，ドライヤーで空気を噴出させたりした場合，噴出した空気は流れが速く，周囲の静止した空気（大気圧）と比べて圧力が低くなる．大気圧より低いので，噴流はまわりの空気や周辺の物体を引き寄せる（間違い）」という誤認識である⁽⁵⁾．実際には，噴流部分もほぼ大気圧である．この説明では噴流と周囲の空気でベルヌーイの定理を適用しているが，両者は同一の流線上にはないのでベルヌーイの定理が適用できない．また，別の説明の仕方として，噴流の上流と十分下流の2点でベルヌーイの定理を適用する事例もある．「下流では速度はほぼ0，圧力は大気圧，これと比較して上流では流れが速く，大気圧より低くなる（間違い）」という説明である．この場合，途中で粘性摩擦により運動エネルギーが減少するので，ベルヌーイの定理は使えない．

図6　噴流の圧力⁽⁵⁾

　冒頭の図1で実演している，ドライヤーでボールを浮かすという実験でも，前述の誤認識に基づく説明がなされていることが多い．つまり，真上に噴き上げた「ドライヤーの流れは周囲の空気よりも流速が速いので圧力が低くなり，ボールを吸い寄せる（間違い）」という説明である．この説明が間違いであることは，2010年2月に公開した実験動画「丸と四角2」（図7）⁽¹⁰⁾で立方体では吸い寄せられず，逆に流れの外にはじき出せることから確認できる．

図7　丸と四角2 ⁽¹⁰⁾
https://www.jsme-fed.org/experiment/2010_2/004.html

　他にも，科学書において「流れが速いと圧力が低い」と誤用されていることが多い⁽⁵⁾．多くの科学書に書かれているので，理科教員や科学の普及活動をされている方々の中にも同様の誤認識が広く浸透していると感じている（アンケート調査やインタビューより）．

　以上のように，流体力学に関する原理の誤認識が拡散している環境を改善，防止するため，それらの拡散メカニズムを研究してきた^{(2),(11),(12)}．その結果，誤認識が伝達・拡散するおもな原因は以下の通りであると推察している⁽²⁾．
(1) 著者･情報提供者の理解･知識不足
(2) 他の情報を鵜呑みにして検証を行わない
(3) 授業で習うことや教科書を疑わない
(4) 平易な表現による誤解･理解不足
(5) 間違いが多数派だと拡散を加速
(6) 原理の理解よりもおもしろさを優先
(7) 簡潔明瞭な説明ほど受け入れられる

他にもさまざまな原因があるが，これらの原因は多くの事例にも当てはまると考えている．誤認識の拡散を防ぐには，学会として正しい情報を発信していくことが重要であり，流体工学部門の動画公開「楽しい流れの実験教室」を通じた情報発信を続けていることはその一環である．

実験動画公開の意義

楽しいことだったら科学を好きになれるかも

　流体力学に関する誤認識の伝達・拡散のおもな原因の究明とともに，誤認識の拡散防止策を検討してきた．科学入門書の執筆^(5),(13)，科学イベント「流れのふしぎ展」（流体工学部門企画）⁽¹⁴⁾，理科教員・科学ボランティアのため研修会（流体工学部門企画）⁽¹⁵⁾，科学館スタッフのための研修会を続けている．「楽しい流れの実験教室」は2009年以来続いていて，広く情報発信できるものである．
これらの活動を通じて目指している目標は以下の通りである．前項の誤認識の拡散原因に対応付けしているが，実効にはまだ先が長いと感じている．
(1) 著者･情報提供者の理解･知識不足
　⇒ 学会として正しい情報を提供する．
(2) 他の情報を鵜呑みにして検証を行わない
　⇒ 各個人でもできそうな実験を紹介し，実験する習慣を小さなときから身につける．あるいは，誤認識の矛盾を実験によって納得してもらう．
(3) 授業で習うことや教科書は疑わない
　⇒ 事象によっては教科書や一般常識にも矛盾があることを知ってもらう(例：翼の原理，霧吹きの原理)．
(4) 平易な表現による誤解･理解不足
　⇒ できる限り平易な説明が原則だが，学生や理科教員に対しては誤認識しないようにていねいに説明する．
(5) 間違いが多数派だと拡散を加速
　⇒ 多くの科学書で間違った原理が氾濫している中で，学会が発信していることから信頼性を担保できる．
(6) 原理の理解よりもおもしろさを優先
　⇒ だれでも簡単に実験体験でき，驚くようなおもしろい題材が理想である（しかし持続はたいへん）．おもしろい，自分でもやってみようと思っていただき，一人でも多くの人が科学好きになるきっかけになればと願っている．まず何よりも理屈抜きでおもしろい，ふしぎだと感じてもらうことが重要である．特に，小学生や一般市民には，まずこのことから始めたい．
(7) 簡潔明瞭な説明ほど受け入れられる
　⇒ 興味を持った人には説明文で理解を深めてもらうようにしている．説明が難しいと敬遠されてしまうので，できるだけ簡潔明瞭にと意識はしているが，簡潔すぎると理解不足や誤解を生むので注意が必要である．目標は，関心を持った学生や理科教員に読んでもらえることである．

実験動画「楽しい流れの実験教室」の現状

動画だから伝えられること

　流体工学部門広報委員会で本サイトは運営されている．筆者がコンテンツ提供しているが，部門が管理運営のために人材と予算を充てている．動画公開は2か月ごとであり，これに合わせてコンテンツ制作を行っている．

　前述の通り，「驚くような実験で思わず何で？と引きつけられること．だれでも簡単にすぐにでき，失敗がない」というものが理想であるが，これらの要件をそろえる題材はそう簡単ではない．以前，科学入門書を執筆した際に編集者から言われた言葉が印象に残っている．「ある実験について読んでおもしろいと思い，翌日帰りに必要なモノを買って来てやってみようと思ったとしても，実際にそうする人はほとんどいない．思ったそのときに家にあるものでできることが重要」ということである．説明文だけでは伝わりにくいことでも，図，動画を使えばわかりやすくなり，さらに実際に実験することが極めて有効である．

　簡単にだれでもでき，かつ驚くような実験の一例として2013年12月公開の「卵を浮かせる」（図8）⁽¹⁶⁾がある．卵（生卵でもゆで卵でもよい），コップ，水道があればすぐにできる．コップに卵を入れて水で満たすと卵は水に沈んでいる．次に，上から卵の真ん中あたりをめがけて水を勢いよく当てると卵が浮き上がってくる．ほとんど失敗なくでき，はじめて見る人を驚かせることができる．

図8　卵を浮かせる ⁽¹⁶⁾
https://www.jsme-fed.org/experiment/2013_12/001.html

　他の例として2017年6月公開の「水のドーム」（図9）⁽¹⁷⁾がある．ペットボトルのフタに水道水を当てると水の膜によってドームができるというものである．

図9　水のドーム ⁽¹⁷⁾
https://www.jsme-fed.org/experiment/2017_6/003.html

　数年後，この実験で，はじめに小さめにドームを作っておき，ドームに軽く指を触れるとドームが大きくなることを見つけたお子さんがいた．その現象を見つけたという観察力に感心した．親御さんがなぜそうなるのか疑問を抱き，SNS上でその原因を求めたこともよかった．SNS上で回答が飛び交い，さまざまな意見が出るきっかけになった．そのうわさを聞き，SNSを見にいったところ，多くの方が興味を持ち，意見を交わしていることがわかった．しかし残念なことに，明らかに違うのではないかと思われる意見も多く，収拾のつかない状況であった．そこで，私なりの考えを実験動画にまとめ，2022年8月に「水のドームが大きくなる理由」（図10）⁽¹⁸⁾として公開した．多くの方々に身のまわりの現象を観察するという習慣を持ってもらうことが科学のすそ野を広げることにつながると考えている．

図10　水のドームが大きくなる理由 ⁽¹⁸⁾
https://www.jsme-fed.org/experiment/2022_8/005.html

　次に典型的な間違いの例として2016年8月公開の「糸の輪をくるくる回す」⁽¹⁹⁾（図1１⁽⁵⁾）を紹介する．ストローの途中に小さな穴を開け，そこに糸を通して結んで輪を作っておく．ストローを吹くと，糸がくるくる循環するというものである．この現象についてベルヌーイの定理を誤用した説明がある．「外側の流れていない空気（大気圧）に比べてストロー内の流れは速く，圧力は大気圧より低くなる．そのため，周囲の空気が吸い込まれ，これといっしょに糸が吸い込まれるので糸がくるくる循環する（間違い）」という説明である．この現象では，ストロー内の空気と周囲の空気は同一の流線上になく，ベルヌーイの定理は使えないのである．実際はストロー先端の出口で大気圧，ストロー内の流れは粘性摩擦に逆らって進むため上流ほど高圧になる（大気圧より高い）．そのため，ストロー内の圧力が高く，途中の横穴からは空気が外に噴出することになる⁽⁵⁾．上記の間違いとは逆の流れになる．このことは，リコーダー（縦笛）を吹いた経験があれば，横穴から空気が噴き出すと気づく人も多いと思う．

　ベルヌーイの定理の解釈を間違えるとまったく逆の結果になるという典型的な例である．素直に実際の現象を見ることの大切さが再確認できる．

図11　糸の輪をくるくる回す⁽⁵⁾

おわりに

やはり実現象に触れること

　流体は目に見えないものが多く，つかみどころがない．それだけにふしぎであり，魅力を感じる．その現象を理解するためには，実際に自身で現象に触れることが大切である．そのきっかっけとして，まず動画を見ることから興味を持ってもらえればと願っている．

　 「なぜ？」がきっかけとなり，次のステップで原理を理解するために物理や流体力学にも興味を持ってもらえるとよいというのが密かな望みである．

謝辞

　本講演の内容および動画制作の一部は科研費 基盤研究(C) 24501111(2012～2014年度)および18K03956(2018～2023年度)の助成によって実施した．流体工学部門企画として継続している「流れのふしぎ展」，「楽しい流れの実験教室」，「流れのふしぎ科学教室」の運営は歴代の流体工学部門関係者をはじめとする多くの方々に支えられてきた．ここに深く感謝の意を表す．

執筆者プロフィール

＜正員，フェロー＞
石綿良三
◎神奈川工科大学　基礎・教養教育センター　教授
(〒243-0292 神奈川県厚木市下荻野1030／
E-mail: ishiwataアットcco.kanagawa-it.ac.jp）
◎専門：流体工学，流体力学，科学教育，可視化情報

参考文献・資料

(1)	石綿良三，実験動画公開「楽しい流れの実験教室」,日本機械学会誌, Vol.124, No.1234(2021)，pp.32-35.
(2)	石綿良三, なぜ間違いは伝達・拡散するのか？流体力学に関する誤認識の拡散,技術史教育学会誌, Vol.20, No.2(2019)，pp.3-9.
(3)	ロゲルギスト，続物理の散歩道(1964), 岩波書店, pp.153-162.
(4)	種子田定俊, 誤解の多い「ベルヌーイの定理」,日本物理学会誌, Vol.50, No.12(1995)，pp.972-973.
(5)	石綿良三，図解雑学流体力学(2004), ナツメ社, pp.9-224.
(6)	楽しい流れの実験教室,機械学会流体工学部門HP(2009～) https://www.jsme-fed.org/experiment/index.html
(7)	石綿良三，楽しい流れの実験教室「翼の原理」,日本機械学会流体工学部門HP(2010) https://jsme-fed.org/experiment/2010_2/002.html
(8)	楽しい流れの実験教室「霧吹きの原理２（間違えやすい原理）」, 日本機械学会流体工学部門HP(2013) https://jsme-fed.org/experiment/2013_8/003.html
(9)	楽しい流れの実験教室「ベルヌーイの定理」, 日本機械学会流体工学部門HP(2017) https://www.jsme-fed.org/experiment/2017_10/005.html
(10)	楽しい流れの実験教室「丸と四角2」, 日本機械学会流体工学部門HP(2010) https://www.jsme-fed.org/experiment/2010_2/004.html
(11)	石綿良三, 科学書に見られる流体力学に関する誤情報の拡散に関する研究, 日本機械学会年次大会講演論文集, Vol.8-1, No.5(2008)，pp.457-458.
(12)	石綿良三, 流体力学に関する間違った科学情報の拡散と防止, 日本機械学会関東支部講演論文集, Vol.120-1(2012)，pp.321-322.
(13)	石綿良三，根本光正, 流れのふしぎ(2004), 講談社, pp.12-203.
(14)	第25回流れのふしぎ展開催報告, 日本機械学会流体工学部門HP(2019) https://www.jsme-fed.org/contests/Nagare-Fushigi2019/index.html
(15)	ふしぎな流れから科学へ（流れのふしぎ科学教室2019 in 秋田）, 日本機械学会流体工学部門HP(2019) https://www.jsme-fed.org/contests/Kyoshitsu2019/index.html
(16)	楽しい流れの実験教室「卵を浮かせる」, 日本機械学会流体工学部門HP(2013) https://www.jsme-fed.org/experiment/2013_12/001.html
(17)	楽しい流れの実験教室「水のドーム」, 日本機械学会流体工学部門HP(2017) https://www.jsme-fed.org/experiment/2017_6/003.html
(18)	楽しい流れの実験教室「水のドームが大きくなる理由」, 日本機械学会流体工学部門HP(2022) https://www.jsme-fed.org/experiment/2022_8/005.html
(19)	楽しい流れの実験教室「糸の輪をくるくる回す」, 日本機械学会流体工学部門HP(2016) https://jsme-fed.org/experiment/2016_8/001.html