水道の蛇口をひねって流れる水の様子

水道の蛇口をひねって出てくる水の様子を見ると、蛇口から出てすぐの部分は水が途切れることがなく見えますが、下に流れるほど途切れて見えますよね？これは加速の問題なのでしょうか？それとも空気の抵抗によるものでしょうか？どなたかこの理由を明確に説明してくださる方はよろしくお願いいたします。

No.5 回答者： miu2 回答日時： 2006/02/06 17:49

No.4の解答も回答になっていないようにも思えます．

また，乱流ではないと言うのは暴論のように思えます．
水の流れの速さ（蛇口をひねる大きさ）によって，形状が変わる概念が記されていません．
水の流れの速さによって，層流か乱流かに区別する方が
この問題はスマートに考えられると思います．

蛇口を大きくひねれば，水が勢い良く出る→流速が速い→乱流
少しだけ蛇口をひねる→水がゆっくり出る→流速が遅い→層流

「蛇口をひねった水・・・」は，乱流の基本的な現象の一つの例題として良く出される問題ですので，一般的な書物にも書かれています．

No.4 回答者： oleander 回答日時： 2005/11/29 15:05

流体を少しやってる者ですがANo2の説明は間違いですね。

乱流ではありません。ある限界より細い流れに於いては一度細いところができるとそこはますます細くなり、そこで切断されて連続流から不連続な液滴に変わります。切断された初期の形は連続流を引き継いで多くは円筒形です。次に円柱の側面が表面張力によって収縮に向かって球状になり、行き過ぎて円盤形に近づき、円盤の表面が収縮して球状に、さらに行き過ぎて、最初の円柱形に、と往復振動します。
実際には複雑な形状です。高速度撮影した画像がありますがこのサイトは本人の画像が禁止らしいので残念です。
検索で見つけた水玉の振動。円柱、切断、球形、扁平、球形、円柱で水没してます。
http://www.mellner.com/Objects/Drello/Lampade/sh …
ネット上のQAサイトは嘘の科学解説で溢れていると云われます。2chの標語以上に嘘を嘘と見抜く力が要求されますよ。しかし科学マニアでない人はどうすればいいか、一つの決め手が検索です。昔は個人や学生のひどいホムペが多かったのが、検索の発達と共に厳しい指摘メールで叩かれて淘汰されつつある。ちなみに乱流だと解説してるものは見あたらなかった。しかしQAサイトに於いては誤回答でも温存される。回答が真偽で淘汰されないないため誤答の温床と化しています。

http://64.233.167.104/search?q=cache:69Vj8SN4sd4 …

http://64.233.167.104/search?q=cache:o3dhb13tEUk …

デジカメとストロボ照明の技術がある人は撮影できます。目視は、声でもいいですが、こんな工夫で一定振動を与えると液滴化がよく見えます。
http://www.ohmsha.co.jp/robocon/magazine/no032/n …

No.3 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/11/28 20:44

　

　
　液体は、内部で分子どうしが引っぱり合ってます。それゆえ粉末のようにバラバラにならず いわゆる液状の姿をしてます。
　専門用語で「凝集力ぎょうしゅうりょく」と言います。


　蛇口から出た水が、（粉のようにバラバラ落ちずに）細くつながるのは、この「内部でお互いが引っぱりあっている」からです。

　そして、細くなって切れるのは、速度が増して乱流になるからではありません。簡単にできる検証法を(*)に示します。
　支配的な原因は；
毛管現象をご存知ですね、細いチューブほど水が高く上がる現象です。
http://www2.mcdaniel.edu/Biology/botf99/xylemweb …
　この現象は表面張力で説明されますが、この表面張力とは凝集力の一端が水の表面に現れたものです。細いと力が強いんですね。
　　（理論的な説明は省きます。）
凝集力のために水流は、ある程度細くなると、首が締まったように 自発的に千切れてしまうのです（直感に訴えた初等的な説明）。
流速は関係ありません。乱流で切れるのでもありません。
　詳しく凝集力の計算をすると；
棒状で居るよりも 球になった方がエネルギが小さい、そんな関係が成り立つ細さの所で、小さなきっかけで エネルギの低い方に状態が移行します。坂道のボールのように 低い方に自発的に行きます。流れが千切れます（エネルギでの説明）。


　千切れると、差のエネルギが余るんですね。水滴の方で余ったエネルギは水滴を振動させます。水玉は連続的に列をなして次々に落ちるので、渡り鳥が一列に並んでるように 単独落下より空気力の影響は少ないです。そして 千切れたときに余ったエネルギ（集まろうとする力が余る）のために振動を起こしています。（ これはよく高速度撮影の写真にありますね。雨粒のような扁平ではありません。）
　いっぽう、
千切られた棒状の方も、それなりに棒が振動します。その振動は 後続の水流が 切れるきっかけ を増すので、前よりも少し上流で切れます、‥‥これを繰り返すので、切れる高さは一定しません。　実際これは蛇口で見慣れてる光景です、この説明を意識しながらどこで切れるかよく観察してください、まったく一定してません。
　これを専門的には「自励振動じれいしんどう」現象と言います。


(*)普通の蛇口の太さでは 粒状化するまでの距離は 数十cm だと思います。蛇口に細いストローを付けて（ガムテープ等で水漏れしないように巻いて）観察してください。ずっと短い距離で（つまり速度がずっと小さいところで）粒状化します。乱流が原因ではないではない事の証明（定番の実験）です。水流の太さを測り比べればより明確でしょう。　
　次にお奨めの観察は；（これも有名ですが）水流に向かってアーと声をかけてください。うまく音程を合わせると 水柱の振動が止まって見えます。ついでに摩擦電気を起こしたものを近づけて観察するのも定番です。
　
　

No.2 回答者： oyaoya65 回答日時： 2005/11/28 02:38

落下速度が蛇口の出口付近と蛇口から離れたところでは違うため、つまり、毎秒蛇口から出る水の量が一定ですが、一秒あたり落下する（移動する）距離が違うため、水流がどんどん細くなるか、途切れるかのどちらかですね。

１ｍ位の高さに蛇口のある水道の水の量を徐々に絞っていくと、下の方が細くなっていきますね。
水の流れが一旦乱れる（層流から乱流に変わる）と水がちぎれてばらばらになり、個々の水の粒は表面張力で球体に近い粒になって落下していきます。余り落下速度が大きくなると空気抵抗の影響を受け球形の水滴（水の粒）はやや扁平な球体になります。小さな粒は球体に近く、大きな水の粒ほど空気抵抗で球体の下部が扁平になります。人間の目には粒粒の水滴はよく見えないですが、高速シャッター速度のカメラやストロボ照明を使って写真に撮れるようですね。それによれば停止した水の粒の形状はきれいに見えるようですね。

これは、大空から落下してくる大粒の雨粒と同じですね。

雨粒の形状は下記URLの「雨粒の形」のところに実験による実測写真が載っていますので参考にしてください。

http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/ameno …

No.1 回答者： noname#21649 回答日時： 2005/11/28 02:29

丸くなること自体は表面張力。

形が色々変わる(球体・液滴等)ことは.空気抵抗とぶしつが持つ運動エネルギーとの関係で私では理解できませんでした。