竜巻の渦は何故遠心力に打ち勝っているのですか

Question

竜巻の渦は自らの遠心力に打ち勝って回転する渦を保つのみならず、相当の質量のある物を回転させています。密度の小さい空気の渦だけならば上昇気流で保てるとしても大きな物体の回転を保つ力は何でしょうか。
　また、この渦の直径を小さく絞り込む力はどのような力でしょうか。

cozycube1 · Accepted Answer

竜巻は回転しなから上昇する風ですから、その空気（風）も巻き込んだ物体も遠心力で外に向かおうとはします。

しかし、遠心力で空気が外に向かおうとして広がると、中心部分では気圧がさがります。中心の気圧が下がれば、周囲の空気を引き戻す力が働きます。

こうして、遠心力で外に逃げようとする空気と、中心部分からの空気を引き戻そうとする気圧の力が釣り合います。ですので、回転する風が安定して存在することになります。

もちろん、中心部分には、比較的ゆっくりですが、上空からも空気が流れ込んできます。

その上空からの空気は、竜巻の上の部分から順に竜巻に吸い込まれていきますから、竜巻の上になる程、遠心力で外に向かおうとする空気と中心の気圧差を解消して行きます。下の方には、なかなか届きません。

そのため、竜巻は気圧差がそのままの下の方が細く、気圧差が解消される上の方に行くほど、太い形状になっています。これは上に行くほど、周囲に逃げて行く空気が増えるということです。

竜巻に巻き込まれた物体も、竜巻の空気と同じ力を受けていますから、その物体の空気と同じように動きます。物体と、その周囲の空気とで、何も違いません。

物体の立場から言えば、風に流されるままに進んでいるだけです。これは竜巻でなくても、たとえば落ち葉が風に吹かれて流され、その風向きが変わっても、その風のままに流されるのと同じです。

そして、物体が上に巻き上げられ、物体の周囲の空気が遠心力で外に逃げ出すと、その空気と共に竜巻から放り出されます。

竜巻の渦、特に下の方ですが、これが細いのは、竜巻が最初は細い渦であるためです。これが成長する過程は単純ではないですが、たとえば流体力学で単純にモデル化してみると、そういう渦がいったんできると、条件が揃えばですが、自然に成長して行くことが示せたりします。

実は、風が吹いていれば、竜巻（小さければつむじ風）の種になるような渦は多数あるのです。

しかし、それが大きく成長して行く条件が滅多に揃わないので、ほとんどの渦は消えて行きます。ごく一部が成長して、つむじ風になり、そのごく一部が竜巻まで成長します。

実際の竜巻やハリケーンは流体力学だけで説明できるような単純なものではなく、分かっていない部分が非常に多いです。

だいたいの発生条件や成長の様子は分かりますし、有力な理論的仮説もあるのですが、説明しきれておらず、必要とされる正確な予測や予報が未だにできません。

そのため、大きなハリケーンの発生が多く、それが切実な問題であるアメリカでは、危険を覚悟でハリケーンの近く、ときには渦の中心まで飛び込んでの観測も行われ、それが映画になったりもしています。それでも、なかなか解明が進みません。

tknakamuri · Answer

遠心力は回転を妨げる力ではありません。
また遠心力はむしろ回転力を保つ働きをします。

竜巻に吹き込む風は角運動量保存則によって
竜巻に近づくほど増速し、その強大な力と釣り合う
遠心力を得ます。このため、風はなかなか中心に達する
ことができないのです。

indoken2 · Answer

竜巻ができる時は、
第一に上昇気流によって空気が吸い出され、
その結果として、そこへ周りから空気が流れ込み、
流れ込む空気に何かの拍子でねじれが生じると、
それが次々流れ込む空気によって加速されて、
最終的に竜巻になります。

力の元は回転ではなく、上昇気流による吸い出しです。

回転するだけの空気であれば、発達もしませんし、強いエネルギー力を持つこともありません。

遠心力はちゃんと働いていて、竜巻の中心部の風速は低くなっているはずです。

掃除機の吸引力を利用すれば、もっと竜巻に近い物を作ることが出来ます。

竜巻は回転しなから上昇する風ですから、その空気（風）も巻き込んだ物体も遠心力で外に向かおうとはします。