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2011/09/11

流体とカオス

固体に熱を加えて液体にする。

はたして、固体から液体になる瞬間、物質はどうなっているのだろうか。


氷を想像していただきたい。

氷の状態では、水分子同士が強固に結びつき離れようとしない。
しかし、いったん溶けて液体の水になると水分子達は様相をガラリと変え、自由に流れていく。

固体→液体に変わる瞬間、いったい何が起こるのか?
ぷっつりと糸が切れたように激変するさまは、不思議である。ここに定められた宇宙の法則を垣間見る。


さて、ここでタイトルの内容に移る。

川


静かに流れる山奥の小川。よどみなく、まっすぐと流れている。
途中に石の島があっても、流れは2つにわかれたあとまたすんなりと元にもどる。

流れの急な川。水は音を立て、飛沫が白く目立つ。
流れが石の島にぶつかった途端、島の下流には大渦が形成され、しばらく運ばれた後しだいに渦は小さく分裂していき、いずれ流れの中に溶け込んでいく。


上の2つのケースの間にどのような違いがあったのだろうか?


現実の水などの流体には粘度が存在する。

私が今まさに大学で習っている流体力学では、粘度を排除した完全流体を主に扱っている。
工学への流体力学の応用においてもそれで十分な面があるようだ。

要は渦を排斥してしまうようにすればいいのである。
航空機の翼は上側を空気がスムーズに通り抜けるよう設計されている。

もし翼の上で、急な川にできたような渦が形成されてしまったら、飛行機の揚力を打ち消してしまうからである。


工学応用云々よりも、自然の実際を知りたい理論屋は、渦ができるできないの境目を探していた。
ちょうど、固体が液体に変わる瞬間があるように、流体にも、おだやかな流れから、混沌とした渦が形成される境目があるはずである。


氷の場合だと、その境目が圧力や温度であった。通常気圧では約0℃で氷は液体になり始める。

では、流体は?ここまで書いた中にその要素はもう出てきている。すなわち、粘度と流速である。


さらさらとした水よりも、ドロドロの油の方が渦ができやすい。
また、おだやかな流れよりも激しい流れの方が渦ができやすい。

この2つの事項は経験的に分かると思う。

仮に粘度を固定した場合、例えば流体を20℃の水とした場合、渦はいかような流速で生じるのか。

これについては次回以降の記事に持ち越したいと思う。
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