煙の揺らぎ

Question

物理とあまり関係無いかも知れませんが
線香や煙草の煙って何故あんなに
不規則に揺らぎながら昇るんでしょうか。

気まぐれに曲がっているようで見ているのは
好きなんですが、ふと何故？と思ったので。
もし良かったら教えてください。

kudoi-oyaji · Accepted Answer

この問題は、流体力学の「層流」と「乱流」で説明されます。
これらは、大学の流体力学の講義で、比較的早い段階で習うはずなので、流体力学の中では、わりと基礎的な知識です。

ここで、用語の基礎は分かりますから。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%81%E4%BD%93%E5%8A%9B%E5%AD%A6

層流と乱流との境目は、上昇する流体と、その周りの流体との相対速度に依存します。

煙が上昇し始めて間もない頃は、上昇速度は遅く、層流になります。非常にきれいに、真っ直ぐ上昇します。

周りの空気との摩擦が無ければ、上昇は等加速度運動ですから、摩擦と加速が釣り合うまで、加速します。

そして、層流と乱流の境目の上昇速度になったところから先は、乱流になり、乱れて揺れているように見えます。

実際、線香とかタバコの煙って、そうなってますよね？


さて、
層流については、理論は比較的単純で、方程式は解析的に解かれています。

しかし、流体力学というのは、層流などの一部の例外を除き、解析的に解くのは、非常に困難です。
地球の大気圏の中の空気の流れ、圧力分布なども、正確に解くのは難しく、カオス理論まで必要だそうです。
気象予報に最新鋭の技術とスーパーコンピュータが導入され、それでも外れるのは、このためです。


流体力学は、「力学」という名前が付いているので、全部理論的に考えられた式で構成されているのかと思いきや、実際学習してみると、経験則が沢山出てきて驚きます。
（私も、学生のとき、驚きました）
有名な「レイノルズ数」も、その一つでして、単位が付かない、無次元の量です。
（これも上記リンクから参照）
ほかにも、経験則から導かれた無次元の量は、流体力学に沢山登場します。

レイノルズ数に一定値を掛けたものが、層流と乱流との境目の目安になる、と私は授業で教わりましたが、これに対して異論を唱える人は多いようです。

N64 · Answer

回答者の皆さんの言うとおりです。
線香の煙のように、まっすぐに立ち上がる流れもあれば、たばこのけむりのように、ゆらりゆらりとした流れもあります。空気の流れそのものは、透明で目に見えませんが、線香やたばこの煙があると見えるようになります。そのほかにも、飛行機が乱気流に遭遇して、負傷者が出ることもあります。こういった流れの乱れの大きさには、気象規模のように大きいものから、下の参考URLに出てくるような、微細なものまで、いろいろあります。たばこの煙のゆらゆらは、眺めるには、ちょうど良い大きさですね。

参考URL：http://jp.yamatake.com/save/spirit/9903/9903b.htm

kiyocchi50 · Answer

全くの無風の部屋の中で線香を焚いてみてください。まっすぐに煙は立ちますよ。線香の熱で上昇気流ができてそれにのって煙がまっすぐになります。線香の場合、火力が非常に安定しているので上昇気流も安定するので一直線になります。

ginlime · Answer

目に見えない空気の流れはあります。濃度勾配による。拡散もあります。また初期には自身の熱による対流の影響もあると思います。何故すぐに拡散せずに線状を保てるのか？は疑問に思っています。

煙の揺らぎ

この問題は、流体力学の「層流」と「乱流」で説明されます。

回答者の皆さんの言うとおりです。

全くの無風の部屋の中で線香を焚いてみてください。

目に見えない空気の流れはあります。

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