パイプに音速を超えた速度で空気を流す。

Question

高圧縮のコンプレッサーで、出来るだけ高圧空気を作り、完全に直線に作ったパイプに通す・・・・・
・・・いくら高圧にしても、空気が音速を超えて流れる事はありませんが、なんで超えないんでしょうか？

onpuu · Answer

越えないんですか？
超音速風洞や極超音速風洞などをつかえば音速を超える空気流を作り出せるとおもっていました。

↓なんかマッハ12の空気流を作れるような書き方がされているので
http://www.ard.jaxa.jp/res/wintec/b09.html

tiltilmitil · Answer

「超音速風洞」というものもありますから絶対に不可能ということはないでしょうけど。JAXAの施設だと反対側に真空タンクを使って空気を引き込むのを併用しているようです。

http://subal.cocolog-nifty.com/blog/2006/10/jaxa2__8c6b.html

mazeran · Answer

「音が伝わる」ことと、「空気が流れる」と言うことは同じことだからです。

空気中を「音が伝わる」と言うことは、空気の密度が変化（「粗」と「密」が交互に繰り返す）することで伝わるわけです。
つまりその「粗」と「密」が交互に伝わる限界が「音速」なわけです。

一方、高圧縮のコンプレッサーから出て来る空気は、「粗」と「密」で言えば「密」の状態です。
その「密」の空気の前に「粗」の空気があって、「密」の空気をパイプの中へ送り込むわけですが、いくら空気を圧縮して高圧にしても、空気を送ると言うのはあくまで空気の密度の変化を伝えるわけであるので、その伝播速度は決して音速（空気の粗密を伝える速度）を超えないのです。

前の方は「風洞」のことを書かれていましたが、「風洞」は空気の粗密が伝わって流れているものではなく、空気そのものに「運動エネルギー」を与えて「移動」させているだけなので、理論上音速を超えることに何ら問題は発生しません。

質問内容に「パイプ」と書かれていましたが、空気の流れに対して直角方向の周囲を空気以外のもので囲んでしまうと、パイプの中の空気の粗密の伝播速度は速くなります。（粗密の伝わるエネルギーが、パイプの壁に拘束されることで発散のロスがなくなるため）
従ってパイプの中の音速は、通常の空気中の速さよりかなり速くなります。
なので周りから見ていると、パイプに流れる空気の速さは、一見「音速」を超えているような結果が出て来ますが、正確な結果を出すためには、「パイプ内での音速」を予め計測しておく必要があります。

結論としては、空気の「粗」と「密」が伝わる速さが「音速」だからです。

fusem23 · Answer

音速が変わるからじゃないんですか？
圧縮すると温度が上がり、音速も大きくなりますから。

でも空気を理想気体と考えた場合、その中の粒子はすっかすかです。
圧縮したとしても、それでもすかすかでしょうから、一方での粒子密度が増えても、拡散速度がそれほど上がるとは思えません。

また、理想気体と考えたもう一つの結果として、エネルギー保存則を考えることが出来ます。
圧力を加えると、体積当りに圧力に応じたエネルギーを蓄えることになりますが、粒子当りで考えると圧力に依らずに一定値になります。
すると最終的な速度も一定値を超えられないでしょう。

計算してないから、あてずっぽうですけどね。

なお、動いている気体に、何らかの方法でさらにエネルギーを加えてやれば、音速は超えられると思います。
噴出す前の気体を高温高圧にしてやれば、噴出し後は温度が下がるので、この場合も音速を超えると思います。

adasw-12 · Answer

＞完全に直線に作ったパイプに通す
この時、圧力が下がったんだよきっと。　ーー；
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%99%E3%83%AB%E3%83%8C%E3%83%BC%E3%82%A4%E3%81%AE%E5%AE%9A%E7%90%86

参考文献。
ポン菓子！！　つ＾＿＾）つ
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9D%E3%83%B3%E8%8F%93%E5%AD%90

１００～２００気圧まで上げて釜を叩いて真っ二つ！　＾＾；
目標！マッハ１５。
（自己責任にてお願いします）

debukuro · Answer

いくら圧力を上げてもその気体がパイプの開放端に達する前に圧力が低下して速度を維持できない
空気の量が足らないのだと思います
多くの人が誤解をしているようですがコンプレッサーは高圧気体を作るものであって気体を高速で流す装置ではありません
高圧気体の量は僅かです
超音速風洞の中では気体が超音速で流れていますよ
アレだってパイプだ(○＿　＿)ノ彡☆　ポムポム

debukuro · Answer

真空で引いているのではありません
大きな圧力差を作り出しているだけです
十分な圧力差と流量があれば超音速を発生させることは出来ます
ジェットエンジンの中では外の大気圧に向かって気体が超音速で流れています
圧力を維持できればいいのです

mazeran · Answer

まだ理解されていないようなので、再びＮｏ，３です。

＞音速＝音の速度って事から、音波が発生しないから音速にならないと解釈しました。ちょっと違う・・・＾＾；

少し理解に苦しみましたが、音速でも音波は発生しています。
静止している音源からは、音は同心円状に広がりますよね。音速とは、一つの放射線に沿って移動し、その速度が広がる円と同じときが「音速」となります。
厳密に言えば、音源から出た音の周波数は無限となり、その方向に進んでいる音のエネルギーの塊が常に目の前にある状態となります。
つまり、前回も書きましたが、空気の「粗」と「密」の振動が伝わる最大の速度になるわけです。

一つ書き加えると、この空気の粗密の波の伝播速度が、「音速」になるわけですが、じゃあ「超音速」って何？。世の中に実在するわけだし、この原理は？となると、また話は別になります。
「超音速」とは。風洞の場合は前回も書きましたが、空気そのものに運動エネルギーを与えて、空気そのものが超音速で移動しているに過ぎません。

言い方を変えると、あなたが超音速の飛行機に乗っていて、窓を開けたときに機体の外に流れている空気がそれになります。その空気は決して、空気の粗密が伝播しているものではありません。（相対的に考えてください。）
それに、ジェットエンジンの噴流が音速を超えていても、エンジン内部では決して音速を超えません。超えていたらエンジンは動きません。
なぜなら、ジェットエンジンは空気を圧縮して燃料と共に爆発させ、その圧力と、それに伴う流れによって燃焼室より後方のタービンを回しています。このときに、空気の粗密の伝播速度を超えるような流れが生じると、エンジンはストール（失速）します。まぁ、プロペラ機が音速を超えられない理由と同じですが。
ではなぜ音速を超える飛行ができるかと言えば、蛇口に繋がった水撒き用のホースを考えてください。蛇口を開けホースの先端から水を出します。
とても遠くの花にまで水が届かないとき、あなたはどうしますか？。ホースの先端を指で潰しますよね。つまり、水の圧力のエネルギーを、出口を狭めることで速度のエネルギーに変えて、水を遠くまで飛ばしているわけです。出口の速度は格段に高速になっています。
超音速飛行もこれと同じ原理で、タービンより後方の「ノズル」の径を変化させることで、音速を超える飛行を可能にする流れを生み出しているのです。

少し前置きが長くなりましたが、質問内容がコンプレッサの空気をパイプに流す場合であるので、何回も書きますが、今回は空気の粗密による伝播になります。
いくらコンプレッサの圧力を、ＳＦ並に上げたところで同じです。
ここで、「コンプレッサ」と限定している意味は、放出する空気の圧力は常に一定か、もしくは減少すると言うことですよね。決して上昇することはないと仮定してですよね。
万一上昇すると言う条件が入ると、音速を超える可能性があるからです。なぜなら、パイプの中で自然に膨張して、粗密の伝播により空気が送られているときに、コンプレッサからの圧力が空気へ運動エネルギーを与えてしまう可能性があるからです。

すくなくとも「一定」であれば、どんなに高圧でも空気の移動する速度は、粗密の伝播速度を超えることは決してありません。
Ｗｅｂ上で動画が有名なところで、「花火工場の爆発」とか、「原爆」または「水爆」などの「爆発」を撮影した動画を見ればわかります。
爆風は衝撃波を先頭に進み、原爆や水爆のような超高圧の発生源があっても、絶対に爆風が先に来て、衝撃波が後からやって来ることはありません。
衝撃波（音速の壁）が見える動画もあり、爆発と同時に広がる、白い球形または半球形の雲のようなものです。
その白い雲のようなものが通り過ぎてから、地面の砂埃などが舞っているのが確認できると思います。

それと補足にありましたが、コンプレッサは、空気に運動エネルギーを与えません。・・・と書くと勘違いされるかも知れませんので、補足します。
ここで言っている「運動エネルギー」とは、空気に対して積極的に移動するためのエネルギーのことです。
「いやいや、空気は移動しているぞ！」と言われると思いますが、あれは「移動しているように見えている」だけであり、実際は、圧縮された空気が、「膨張」しているために、「移動しているように見えている。」だけのことです。
ですから、これだけを見ても、あきらかに「風洞」とはまったく違う現象であることがおわかりいただけると思います・・・が、どうでしょうか？。

空気が移動しているエネルギーは何か。運動エネルギーなのか、粗密の伝播なのか。恐らく皆さんはここを思い違いされているのだと思います。
似ているようですが、まったく別のものです。
何度も書きますが、空気を送る装置が「コンプレッサ」だからです。

どうしても移動している、運動エネルギーを持っていると考えるのであれば、移動している、運動しているエネルギーは、空気が膨張し、周りの圧力と同じになればなくなるわけですよね。密閉された空間であれば、そのなくなったエネルギーは熱に変わるはずですが、温度は上昇するでしょうか？。
いえいえ、逆に下降しますよね。（断熱膨張）

前回も書きましたが、「パイプ」と言う条件があるため、パイプ内の音速は通常より速くなることも書きましたが、パイプの径と、圧縮空気の圧力と流量によっては、パイプの入り口から高圧の空気を送り込んで暫くすると、入り口から衝撃波が出て来る可能性もありますので、仮定での質問だと思いますが、万一実験されるときは注意が必要です。

fusem23 · Answer

#4です。

＞後半に”噴出し後は温度が下がる・・・”とも記載されています。矛盾していませんか？

矛盾すると考えるのは、比較するものが異なっているからです。
温度としては、３つが考えられます。
１．圧縮前の空気の温度
２．圧縮機内の空気の温度
３．パイプ内の空気の温度
断熱した場合、１＜３＜２となります。
温度が上がると言ったのは、１と３の比較だし、温度が下がると言ったのは、２と３の比較です。
これ位は理解しましょう。

結局、圧力も上げて温度も上げて行くと、流速も上がるが音速も上がってしまう。
圧力だけを上げると、流速は一定値以上には上がりません。
一定値が音速に等しくなるかは、自分で確認してください。

mazeran · Answer

Ｎｏ，８です。

大変失礼いたしました。
＞まだ理解されていないようなので、再びＮｏ，３です。
この書き方は良くないですね。

正しくは、
＞まだ理解していただいていないようなので、再びＮｏ，３です。
です。
お詫びして訂正させていただきます。

申し訳ありません。

パイプに音速を超えた速度で空気を流す。

越えないんですか？

「超音速風洞」というものもありますから絶対に不可能ということはないでしょうけど。

この回答への補足

「音が伝わる」ことと、「空気が流れる」と言うことは同じことだからです。

この回答への補足

音速が変わるからじゃないんですか？

＞完全に直線に作ったパイプに通す

この回答への補足

いくら圧力を上げてもその気体がパイプの開放端に達する前に圧力が低下して速度を維持できない

真空で引いているのではありません

まだ理解されていないようなので、再びＮｏ，３です。

この回答への補足

#4です。

この回答への補足

Ｎｏ，８です。

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