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「数式なしで見える流体力学」期待通り分かりやすい。動物の話題や身近な話題が多く親しみやすい。この『流れの法則』1冊で、流体の基礎がよくわかる優れもの。

■『流れの法則』を科学する■

副題に「数式なしで見える流体力学」とある。流体には興味があっても、数式がややこしくて?と思う私には願ってもない一冊。期待通り、わかりやすく読みやすい。そして、流体についての面白い現象の数々に、さらに興味がわいてくる。

いろいろな生物を通しての解説も、親しみやすさを増している。ミジンコ、渡り鳥、ムササビ、ホタテガイ、チョウ、ペンギン、ウミガラス、など生物好きにはたまらない。飛んだり、泳いだりの難しくなりがちな流体力学を、かみ砕き、理解しやすいかたちにして語ってくれる。生活に身近な例も豊富、電車、飛行機、船、水着の“スーパーレーサー”などなど。スポーツ系では、野球の変化球、サッカーの無回転シュートなど、なるほど分かりやすい説明が満載。

これとても大事なポイント。こんなに親しみやすい流体の本。今までお目にかからなかった。
もっと早く巡り合いたかった本。この一冊で流体全般の基礎知識がよく分かる優れもの

★詳細はこちら↓
『流れの法則』を科学する



伊藤慎一郎(いとう・しんいちろう)著
2009.08.25.初版第一刷
知りたいサイエンス063/株式会社技術評論社

★★★☆☆ 難易度
★★★★★ 蘊蓄度
★★★★★ お勧め指数
★★★★☆ 保存版
★★★★☆ 編集、構成
★★★★★ 総合評価
 
◆《感銘・共感・知見の一文》◆

◎「【ミジンコ】と粘性」 ★キーワード=【粘性】 P23
プールで動くと、水の抵抗を感じる。これは水に粘性があるため。皮膚が水と接している部分の相対速度は0、皮膚から離れるにしたがい相対速度は速くなる。この差が粘性に影響。
ミジンコにとっては、水の粘性が大きすぎるため泳げない。というわけで“漂う”ことを選ぶほかない。

◎「翼端渦」(よくたんうず) ★キーワード=【翼端渦】 P80
飛行機の揚力が生じる仕組みでは、翼の上面の圧力は、気流速度が下面より速いため小さくなる。
このため、翼端で下面より上面に回り込む気流が生じる。これを【翼端渦】と呼び、飛行機が飛び去った後に渦として残る。後ろから見て、左端では右回り、右端では左回りになる。
一度生じるとなかなか消滅しないで残り、特に大型機では後続の小型機が 墜落するほどのエネルギーがある。このため、続いて着陸するときは、数分開けて着陸するよう決められている。

◎「翼端渦を防ぐ【アホウドリ】回収する【トンビ】」 ★キーワード=【翼端渦】 P83
翼端渦は、上面と下面の圧力差で生じるため、飛行には大きな抵抗になる。翼端渦が生じないようにすることで、エネルギー損失を防いでいる鳥がいる。
【アホウドリ】の翼は、先端が細くなり点にすることで防いでいる【ポインテッド・ウイング】。
★グライダーの翼の先端も小さくして【翼端渦】を防いでいる。
【トンビ】は、【翼端渦】をバサバサした羽の先を開いたり閉じたりして調整している。
★これを応用したのが、飛行機の翼の先に上向きについている小さな翼【ウイングレット】、吹きあがる風をここに当てることで揚力と推進力にしている。

◎「【チョウ】の飛行方法」P102
羽を閉じるときは、空気を追い出し前進する力にし、開くときには、羽の上が負圧になるため上昇する力にして飛んでいる。羽を閉じたり開いたりすることで、前進と上昇を繰り返しながら飛んでいる。ナルホドそういうことでしたか。
【アゲハチョウ】の尾状突起は、翼の表面を流れる気流を整える整流作用がある。(【モンシロチョウ】に比べ正確な飛行ができる)

◎「レーザーレーサ水着のハイテク」P30 P180
超撥水性にする利点は、境界層の速度差を小さくすることで、抵抗が減るため。境界層こそ流体力学の基本。撥水性が高いほど、水滴が接する面積が小さくなる。
レーザーレーサは体を引き締めて、体積を9%ほど減らすため、抗力も9%小さくなることも利点。もう一つ、引き締めることで体表面の皺を軽減、これも抵抗を軽減する。
★これはスポーツ用具改良によるテクニカルドーピングと著者は指摘している。

◆《ポイントひろい読み BEST 5》◆

○「水の圧力」P18
水深10mで、一気圧増える、400mでは40+1=41気圧になる。
潜水にはヘリウムと酸素の混合ガスを使うが、ヘリウムを使うと、かん高い声になる。
★空気に比べ ヘリウムの密度は1/7、声帯の振動が変わらなくても、音が伝わる媒質密度が変わるため、音速が速くなる。(空気中の音速の3倍ほど)

◎「船の舳先の【球状艦首(バルバス・バウ)】」P52
舳先の水中部には、前方向に大きなでっぱりがある。これを【球状艦首】といい、船がつくる波と位相が逆の波をつくることで、波同士が打ち消し合い『造波抵抗』を低減している。
大型タンカー、コンテナ船ではこれを採用することで、15~50%造波抵抗を軽減している。

○「なぜ山手線は流線型ではないのか」P65
通勤電車の多くの全面が、なぜ垂直の平面のままなのか?通勤電車を流線型にしてもあまり意味がないらしい。
10両以上の車両が連結されているため、側面部の摩擦がとても大きい。全面よりも側面の空気抵抗が、はるかに大きいのが理由。ナルホド!
・「新幹線の先端は流線型、その目的は?」P68
列車の速度が速くなると空気抵抗が影響してくる。しかし、新幹線の先頭形状はトンネルに入る時や、上下線がすれ違う時の衝撃音軽減も目的の一つ。トンネルの形状にも工夫があり、衝撃音を分散し騒音が生じにくくしている。

○「カルマン渦」 ★キーワード=【カルマン渦】 P70
木枯らしが来ると電線など「ぴゅーぴゅー」音がする。流体中に細い柱状のものがあると、背後に回転の向きが逆の2列の渦が生じる。
この渦を【カルマン渦】といい、流速が速くなると左右交互に生じ、ぶつかり合うことで音が出る。
この音を【エオルス音】という。車が高速で走る時に生じる音もカルマン渦が起こり生じるエオルス音。
・「タコマ橋を崩壊したカルマン渦」P71
1940年、ワシントン州のタコマ・ナロー橋が19m/sばかりの風を受け振動、この振動が増幅し、ついに崩壊。橋の固有振動数が、たまたま一致したため振動が増幅、この振動を【フラッター】という。
★航空機なども、フラッターを防止するために、方向舵、昇降だ舵に錘(マスバランス)を付けている。

○「渡り鳥のV字飛行と翼端渦」P80
【翼端渦】をうまく利用しているのが、渡り鳥のV字編隊。
飛行機と同じ原理で生じる【翼端渦】、上昇する場所をとらえれば、上昇気流と同様に省エネ効果がある。左右それぞれ同じように【翼端渦】が生じるため、自然にV字編隊となる。

■ 生物と流体力学 ■
①「【サメ】の胸ヒレ・【イルカ】の胸ヒレ」P92
【サメ】は、海水より比重が大きいため、胸ヒレを水平に付け、たえず動くことで揚力を得ている。
【イルカ】は、海水より比重が小さいため、胸ヒレで揚力を得る必要はなく、安定性維持の役目。

【ホタテガイ】P95
外套膜に海水をため込んで勢いよく吹き出し移動。
2枚の殻は、一方は少し膨らんでいて、膨らんだ方(紫色をしている方)を下に向けて移動。

③「【クマバチ】の飛行の謎解明」P104
胴体の割に羽の面積が小さいため、1973年までの定常翼理論では飛べなかった。
1973年の非定常翼理論は、翼の負圧面に渦ができ、中心の低圧部に翼が引き寄せられ、揚力が増加することが分かった。小さくなるほど、粘性の影響を受けるため、粘る空気につかまるように羽を動かし飛んでいる感じになる。

④「【トンボ】の飛行」P106
【トンボ】の羽を横から見ると、凸凹している。
飛ぶとこの凹んでいる部分に渦ができ、表面の気流は上下にふくらみのある飛行機翼と同じように流れる。
前の羽と後ろの羽は、飛行時は交互に動かし、離着陸時には同時に動かしている。理由は、揚力を引き出したいときは同時に、速度を出したいときは交互に動かしている。

⑤「【ペンギン】の羽ばたきのストローク」P110
空を飛ぶ鳥と海中を飛ぶように泳ぐ【ペンギン】流体が違うためストロークに違いが生じる。
空を飛ぶ鳥は、打ち上げ時に後方より前方を通る(ストローク面は後傾)、
これに対し、【ペンギン】は、前方より後方を通る(ストローク面が前傾)。
また、【エンペラーペンギン】は水深300mは普通、最大564mという記録もある。

⑥「【ウミガラス】の肺」P112
水深とともに肺の容積が変化することがポイント。水深10mでは2気圧かかるため肺の容積は1/2、浮力も半分になり行動しやすくなる。
【ウミガラス】は50mほど潜るので、6気圧かかることになる。肺の容積は1/6。つまり水中で自由に行動するには、深く潜るほうが良いことになる。

⑦「【ハス】の葉の超撥水構造」P176
葉についた水滴は、玉のように転がる。葉の表面にきわめて小さな突起がたくさんあり、水滴をはじくため。
レーザーレーサーの素材も、このような超撥水構造になっている。

◆《チェックポイント BEST 5》◆
ここは少し上級者編、ひろい読み編が気に入ったら次はこちらで、チョット深読みしてはいかがでしょうか。

○「空気は、非圧縮性流体?」 ★キーワード=【非圧縮性流体】 P21
音速以下で飛行する場合は、非圧縮性気体として扱う。時速300Km(秒速83m)程度以下。
音速以上で飛行する場合は、圧縮性気体として扱う。

◎「空気と水の粘性」 ★キーワード=【動粘性係数】 P28
空気と水の密度を同じにした場合、動粘性係数は20℃の時、【空気は15㎡/s/1,000,000】【水は1㎡/s/1,000,000】
★実際感じる粘性は動粘性係数なので、空気の方が15倍粘り気が強い。
★【動粘性係数】:粘性係数/密度、粘性係数が同じ場合、密度が高いほど、動粘性係数は小さくなり、運動もしやすくなる。

◎「船のプロペラ」P54
推進力を発生する際、後ろへ回転する水流ができ、これが推進に対する抗力となる。
《抗力を減らす工夫》
①プロペラの後ろに、同じ回転軸で自由に回転する少し小型のプロペラを付け、水流の旋回エネルギーを吸収し推進力にする。
②プロペラの後ろに逆回転のプロペラを付け、水流の渦を打ち消し抵抗を軽減。

◎「キャビテーション」 ★キーワード=【キャビテーション】 P58
プロペラの回転が速くなると、羽の表面から水が剥がれて、剥がれた部分は、真空に近い水蒸気圧で低圧沸騰になる。
これが【キャビテーション】現象。振動や騒音とともに、プロペラを浸食し破損させる。大型船では、直径が3mにもなる毎秒1回転でも、先端の速度は34km/hになる。
・「スーパーキャビテーション魚雷」P60
キャビテーションを利用した魚雷で、先端から発生するキャビテーションの泡が、全体を包むことで抵抗を下げる。370㎞/hの高速が可能となる。

○「コンコルドの三角翼(三次元翼)」P86
二次元翼の普通の翼では“迎え角”(気流の方向と翼の向きの角度)が大きくなり、翼上面を流れる空気が翼面からはがされる。これが“失速”状態。三角翼では、迎え角を大きくしても、翼面上に縦渦を生じ、翼を引き上げる揚力となるため、失速とはならない。
★【ムササビ】が三角翼に近い仕組みをうまく利用。迎え角が大きくなっても失速しない特徴を利用。
(木につかまる時や飛び移る時は、体が垂直になるため、迎え角は特に大きくなる)



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Author:Dr.kusaichi
日頃より、身近な科学に興味があり、新書などいろいろ読み漁り、また読み耽っています。
そんな中から、選りすぐりのお薦め書籍をご紹介します。

植物の本、昆虫、小動物、菌類からウィルスまでいろいろ登場予定。
科学の本 身近で分かりやすく、肩の凝らない本が中心。
最近話題の本も登場、その他 私の勝手にいろいろ出てきそうです。
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