回転する油と水の境界面の渦中心が上方向へ膨らむ不思議

質問

へんなもの見てしまいました。

円筒形のビン（蜂蜜の空ビン）に、空気、ガソリン、灯油、水を入れて混ぜたらどうなるか・・疑問に思ったので実際にやってみました。

結果：
ビンの中には2つの境界面ができました。
ビンの中に層状にあるものは上から順に、空気、油（ガソリンと灯油の混合液）、水だと思います。

ビンを回転させてみました。驚きました。
上部の境界面：空気と油の境界の渦は、よく見られる水面にできる渦と何ら変わりません。

ところが、下部の油と水の境界にできる渦は、渦の回転が少し落ち着いた時点で渦の真ん中が上へ膨らむのです。まるでワインのビンの底のようです。

まったく意外な現象で、何故このようになるのか考えますが分かりません。わかる方教えてください。

上部の渦、空気と油の間にできる渦は、遠心力によるものだと思います。なので、こちらはその渦の原理は理解できていると思っています。しかし、下部の、油と水の間の”ワインビン底”の渦は、どのようなメカニズムによってできているのかわからないのです。

回答No.3

CT-9811 · ベストアンサー

すみません勘違いして書きました。上は水でなく油ですね。
さっき工場の廃油で試してみました。
遠心力で先ず油の表面が放物面状に盛り上がります。周辺が高くなった圧力で下の水面が押されて下がります。遠心力で縁に寄った油が上と下に分かれて押すとは違うのかなと思います。マグカップの底が柔らかいマグカップです。
中央が盛り上がる効果は底を這う流れによるかき寄せ効果もあると思います。
粘性と摩擦は同じことですね、正確には粘性摩擦かな。

お礼

再度のご回答、嬉しいです。
しかも、実際に試していただいたなんて・・・

盛り上る渦の新たな目撃は、この現象が確かに起こるという裏付けです。こんなことやったことのある人には、まずお目にかかれませんので(^_^;)　これで私の見間違いではないことがはっきりしました。

また、灯油とガソリンの混合液、対、水という条件以外でも起こるということもわかりました。

マグカップの底が柔らかいマグカップ・・
ユニーク、うまい表現だな－と思い感心しています。底が柔らかいコップなんて・・この現象に出会わなかったらまず聞くことのなかった言葉だと思います。楽しむことができました。

回答No.2

CT-9811

むかし見た答ですけど、水面は、重力と遠心力の合力と直交します。水面の傾斜が水深の違いを生みます。
http://okwave.jp/kotaeru.php3?q=725809

お礼

ありがとうございました。
参考ＵＲＬの現象は摩擦の話のようですが、参考にさせていただきました。

摩擦の効果を考えていたら・・・
摩擦によって中心に収束した液体は上昇するのでしょうか？　そのとき、水面が少し軽い液体で覆われていたら、水面の高さに変化が起きるのか・・？　など、またヘンなことを考え初めてしまいました。

回答No.1

8942

まったく自信有りませんが、
私の仮説です。その時水のほうの回転はだいぶ弱くなっていて、殆ど
遠心力の作用は水には働いていなかった。一方油のほうは粘性が水より
弱いためにまだ回転に勢いがあり、遠心力により、外側へ油が寄っていて、外側が盛り上がっていた。と同時に下の方へも膨らもうとしているはずで、水との境界面を押し下げた。その分水の中心部が盛り上がっていた。・・・と考えました。自信なし。

お礼

早速のお返事!　誠にありがとうございます。
私の中にもやっと、感じていた部分を見事についてくれました。「自信なし」とのことですが、このようなお答え大歓迎です。とっても考えるヒントになりました。

やはり、粘り気の違いですよね！　油は潤滑油に使うくらいですから、ビンの中でもよくすべる・・つまり一定時間まではどちらの境界面も渦の断面はＶ字の形ですが、一定時間を過ぎると、回移転速度の落ちた水の上面は水平に戻ろうとする・・そのとき、油にはまだ強い回転力が残っている。油は遠心力で蜂蜜ビンの壁に押されており、壁に沿って下方向にも広がる。

たぶん、おっしゃるとおりなのではないかと思いました。

想像ですが
もし、このビンの回転をもっと上げていくと、油はさらに壁に向って広がり、最上部の空気と最下部の水が近づくのではないでしょうか・・・