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？

mazeran · Accepted Answer

三度お邪魔します。Ｎｏ，３，８，１０です。

納得していただいたと言うことで、手の混んだ絵を入れていただきこちらこそ恐縮します。

そうですね。空気に変化を与えようとしているものがコンプレッサである限り、そう言う形での空気の移動（変化）となります。
コンプレッサからは、あくまで空気の「膨張」と言う結果しか生むことができません。
風洞とかジェットエンジンなどの例が出ていますが、エネルギーの総量から見ても明らかに矛盾を生じますし、本来条件を与えられてすぐに判断できるものです。（コンプレッサと言う条件です。）
コンプレッサからは、「密」である空気を、「粗」にするエネルギーしか持ち合わせていませんので、密を粗にすると言うことはすなわち、音が伝わる速さを決して超えるエネルギーは発生しません。

風洞はあくまで空気の相対的な運動であり、ジェットエンジンについては噴流を出すために熱エネルギーを使っています。
しかしコンプレッサは、圧縮した空気がただ単に膨張するだけです。空気そのものに運動エネルギーを一切与えておらず、そう見えるのは、膨張する際の動きがそう見えるだけで、圧力と体積の積に変化はありません。ただ単に圧力が上がっただけのものを容器に閉じ込め開放したに過ぎません。
つまり、空気の「密」と「粗」を伝播する以外のエネルギーは持っていないわけです。

ちなみに「熱」のことを書かれている方もいますが、「熱」を考慮すると、この結果に拍車を掛ける結果となり、今回のご質問の回答には考慮する必要はないと考えます。
空気に運動エネルギー（ジェットエンジンのように「熱」など）を与える要因がない以上、コンプレッサから出る空気はパイプの中で行う現象としては、「粗」と「密」の伝播しかなく、これは「音」が伝わる現象と一致するため、「粗」と「密」の伝播は音速を超えないのです。

ちなみにもう一つ。ジェットエンジンのファンやプロペラの外周の速度が音速を超えると、衝撃波が発生して効率が著しく低下しますが、この現象も空気の「粗」を「密」にする伝播速度を超えてしまうために、「粗」な空気を「密」にできなくなるために起こる現象です。
ですからジェットエンジンが回転する機構を持つ限り、ファン（圧縮機）の入り口からタービンの出口まで、超音速機のエンジンであっても決して音速を超える流れはありません。ダクトとノズルの形状でうまくサイクルが回る工夫がされています。（Ｗｅｂ上で確認してみてください）

与えられた命題が「コンプレッサ」ではなく、「ジェットエンジン」でパイプに空気を送るとなれば、音速を超えることも当然可能になります。なぜなら、もはや空気の「粗」と「密」の伝播ではなく、パイプの入り口より明らかにエネルギーが注ぎ込まれていますので、粗密の伝播速度を超えることが可能なのです。

debukuro · Answer

ジェットエンジンだってコンプレッサーで圧縮をしてから膨張させています

adasw-12 · Answer

＞ポン菓子は音速を超えているんですか？

どこに音速を超えてると書いてある？

＞無責任な回答はやめてください
明らかな「間違った記載」をしています。

＞膨張断熱
性格は問題視しないとして、
エントロピーの概念から言うと致命的な欠陥かもしれません。
熱断過程にありません。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E8%86%A8%E5%BC%B5

こう言う見方で質問内容に沿った回答をしています。

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。

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

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。

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

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

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）

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。

パイプに音速を超えた速度で空気を流す。

三度お邪魔します。

ジェットエンジンだってコンプレッサーで圧縮をしてから膨張させています

この回答への補足

＞ポン菓子は音速を超えているんですか？

この回答への補足

Ｎｏ，８です。

#4です。

この回答への補足

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

真空で引いているのではありません

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

＞完全に直線に作ったパイプに通す

この回答への補足

音速が変わるからじゃないんですか？

似たような質問が見つかりました

このQ&Aを見た人はこんなQ&Aも見ています

関連するカテゴリからQ&Aを探す

このQ&Aを見た人がよく見るQ&A

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング