流体粒子は、粒子の上面と底面の間に存在する圧力差により、平らな面や曲面に付着することがよくあります。この固執する傾向は、コアンダ効果として知られています。
シャワー カーテンがいつもあなたを引き付けようとする理由の背後にある謎を明らかにした後、今日は、私たち全員に影響を与えるもう 1 つの生命の謎を明らかにします。
飲み物をこぼす現象の 1 つが、飛行機が飛ぶ理由にも関係していると考えられていることを知って、おそらくショックを受けるでしょう。この現象はコアンダ効果として知られており、流体が曲面に付着することを説明しています。
飛行機の場合、周囲の空気が翼に付着し、飛行に必要な揚力が発生します。一方、マグカップの場合、中の液体が湾曲したマグのリップに付着し、その表面に沿って滴り落ちるので、きれいにする必要があります.
コアンダ効果
この効果は、ルーマニアのエンジニアで数学者の Henri Coanda によって最初に特定されました。 1910 年、若いコアンダは、彼が製造した航空機であるコアンダ 1910 航空機をテストしていたときに、発見に出くわしました。航空機自体は離陸しませんでした。実際、機体はウォームアップ中に炎上しました。しかし、すべてが無駄だったわけではなく、コアンダは異常に気づきました。
彼は、エンジンから出る燃焼ガスが機体 (胴体) のすぐ近くを飛んでいるのを観察しました。その後の実験と研究により、彼は最終的に、現在「コアンダ効果」として知られていることを確認しました。
コアンダ自身は、この効果を「オリフィスから噴出する流体の噴流が、隣接する平面または曲面に追従し、周囲から流体を引き込み、圧力の低い領域が発生する傾向」と説明しています。
簡単に言えば、コアンダ効果は、空気やその他の液体などの流体が、平らな面や曲面に沿って付着して流れる傾向です。
コアンダ効果のメカニズム。 (写真提供:Cruithne9/Wikimedia Commons)
劇へのベルヌーイの原理
オリフィスから出るジェットは、周囲の空気を一緒に掃き出します。ただし、出口の噴流は周囲の空気よりも高速で流れ、ベルヌーイの原理によれば、高速で流れる流体は圧力が低く、逆もまた同様です。したがって、低圧ジェットは、比較的高圧の周囲空気によって取り囲まれます。周囲の空気がジェットを両側から押し、中央でバランスを取ります。
ジェットの一方の側に固体表面が存在するか導入されると、それを押し上げてジェットのバランスをとっている高圧の周囲空気が取り除かれます。その結果、反対側からの周囲の空気がジェットを下向きに押し、表面に付着させます。ジェットはカーブしても表面に付着し続けます。
注いでいる間のコアンダ効果
質問に戻りますが、マグカップから注ぐのが難しい理由は 2 つあります。第一に、液体の表面張力のために困難であり、第二に、コアンダ効果の結果として液体分子がマグカップの表面に付着するためです.表面張力の側面についてはすでに詳しく説明しましたが (注いでいるときに液体が時々容器の側面から流れ落ちてしまうのはなぜですか?)、問題の原因はこれだけではありません。
マグカップ内の流体分子は、周囲の空気から周囲圧力を受けます。マグカップから注ぐと、大気圧によって液体がマグカップの表面に付着します。マグカップの表面がリップで曲がっていても、分子はくっついたままです。液体が滴り落ちるのを防ぐには、コアンダ効果により、重力が液体の表面張力とマグカップ表面への液体の付着の両方に打ち勝たなければなりません。 10 分の 9 の確率で、結合された力が重力に打ち勝つには大きすぎるため、液体がマグカップの表面に滴り落ちます。
航空機の揚力生成
コアンダ効果は、証明されていませんが、翼形状が揚力を生成する理由でもあると考えられています。長い間、翼はベルヌーイの原理によって揚力を生み出すと人々は信じていましたが、シミュレーション ソフトウェアを使用して実施された広範な研究では、そうではないと主張されています。
この仮説 (等通過理論またはより長い経路の理論とも呼ばれます) は、上流と下流の空気粒子が尾部で同時に出会う必要があると仮定しています。翼の上面と底面は均一ではないため、同時に尾部に到達するには、上面の粒子が下面の粒子よりも速い速度で移動する必要があります。前述のとおり、ベルヌーイの原理によれば、流体の速度と圧力は反比例します。
したがって、底面には上面よりも大きな圧力があり、この圧力差によって揚力が発生します。しかし、理論の根拠となっている仮定、つまり、底面と上面からの粒子が同時に後縁に到達しなければならないという仮定には、論理的な説明がなく、ばかげていると見なされます。
実際には、上流の流線の粒子は、下流の流線の粒子よりも先に尾部に到達します。さらに、ベルヌーイの法則の適用は、2 つの異なる流線ではなく、同じ流線上の 2 点に限定されます。これらの理由から、等通過理論は反証されています。
均等時間理論の図。 (写真提供:ウィキメディア・コモンズ)
翼は両側が湾曲しており、コアンダ効果によって示唆されるように、流体粒子は湾曲した表面に付着します。この付着により、空気の流れが下向きになります。流れが付着するには、粒子の上部に下部よりも大きな圧力が必要です。これにより、翼の両側に圧力差が生じ、揚力が発生します。また、ニュートンの第 3 法則によれば、下向きの流れ (作用) は、揚力の形で上向きの力 (反作用) を生み出します。
結論
航空機での揚力生成とは別に、コアンダ効果の他の用途には、水力発電スクリーニング、振動流量計、空調などがあります。この効果は、計測学、自動車、および医療の分野でも用途があります。自動車では、この効果は主に F1 カー メーカーが排気ガスを寄せ付けないようにするために、また特定の液体ディスペンサーで使用されますが、医学では、この効果は人工呼吸器に現れ、人間の心臓の僧帽弁逆流をよりよく理解するのに役立ちます.
ただし、コアンダ効果は普遍的なものではなく、表面の曲率があまり鋭くない場合にのみ適用されます。したがって、飲み物をこぼさないように、マグカップを水平面に対してより大きな角度に保ちながら、すばやく注いでください!
