ラッパの先の沈む速度

質問

ラッパの先の円錐形の部分が沈む速度は△と▽方向で違うのでしょうか。測定しているわけでないですが△の方が速い気がします。▽の方は最初沈むのを躊躇している気がします。本当に速度が違うのでしょうか。とすると、どういう理由があるのでしょうか。表面張力？浮力？流速？思いつきません。ちなみにラッパはおもちゃでプラスチック製で、正確に言うと円錐形でなくラッパの形をしています。

回答No.4

First_Noel · ベストアンサー

＃１です．

＞> ▽の方が水の進入口の面積が小さいので，水が入りにくいからだと考えられます．
＞これは主に表面張力によるものと考えていいでしょうか？

沈み始めの瞬間を考えると，△でも▽でも沈降速度は同じと考えられます．
どちらも排除体積は同じ，質量も同じだからです．

すると，開口面積の大きな方が，同じ時間では水の流入量が多いことになります．
（流入量＝開口面積×沈降速度）

従って，「水が入りにくい」と言うのは，「上式の開口面積が小さいから」と言うことを
意味しています．

余談ですが，沈降速度がとても速い場合には，閉塞現象などあり，
どんなに力いっぱい水なり空気なりの流体を開口部から噴射させようとしても，
ある限界値以上には噴射できない，と言うことがあります．
しかしこれは，今回のご質問ではこれは全く考えなくても良いものです．
ご参考まで．．．

＞両側とも穴は十分大きく空気の圧縮は起こっていない気がします。

では多分空気の排出云々は余り影響がないと思いますので，
やはり水の浸入量の違いにより，ラッパによる水の排除体積の違いで
浮力の大きさが異なっていることが主因だと思われます．

お礼

再びの回答ありがとうございます。
質問に間違いがありまして大変ご迷惑をおかけしました。

皆様の回答をもとに考えてみました。
△の方は浮力が小さいうちに広い面が空気と水の境界を通過し、▽は浮力が大きくなってからその境界面を通過することになり、△の方が「粘性抵抗による上向き」に対する「浮力を減じた下向きの力」が相対的に小さくなり沈みにくくなる気がしてきました。

補足

皆様すみません。なんか変だなぁと思っていたら、質問に間違いがありました。
誤）▽の方は最初沈むのを躊躇している気がします。
正）▽の方は最後沈むのを躊躇している気がします。
　　　　　　　＾　
お詫びの上改訂させて頂きます。

回答No.3

LCR707

多分、リード部を外した、単なる円錐形のパイプ形状だと思いますが・・・。

　ラッパの先を下にして沈める△の場合と、細い口を下にする▽の場合を比べたときの違いは、流体抵抗の大きな口部分を流れるのが、空気か水かの違いだと思います。

　２つを同じ速度で沈めたとき、最初は△の方が内部の体積減少が早いので、速い速度で空気が口を通過します。一方、▽の場合は、速度は遅いものの、水が口を通過します。
　△のほうが早く沈むということは、細い口を水が通過するときの抵抗よりも、たとえ流速が速くても空気が通過するほうが、その抵抗が少ないことの表れだと思います。

お礼

回答ありがとうございます。理解力があまりいい方でないので、どう解釈すればいいのか考え込んでいます。空気抵抗が鍵だという解釈でいいでしょうか？

回答No.2

tiltilmitil

おもちゃのラッパということは、音が鳴るものでしょうか。そうであるなら、リードを使った笛が組み込まれているのではないでしょうか。

　リードを使った笛ですと、吹き込まれた空気にブレーキが掛かりながら排出されるような感じで音を出しています。当然ながらここが抵抗になります。また、逆からの空気はほぼ素通りになりますので抵抗はほとんどなくなります。

　そのようにして溜まっている空気の分だけ浮力が大きくなっているのではないでしょうか。

お礼

回答ありがとうございます。説明不足でご迷惑をおかけしました。すみません。

補足

説明不足ですみません。
音は鳴らないです。単に形がラッパなだけです。じょうごと言っていいかと思います。大きい方は直径8cm程度、小さい方は直径2ｃｍ程度の円形の穴が開いています。小さい方は2ｃｍ径が約1.5cm続いてあとはなだらかな内側に凸な連続な曲面を呈していていわゆるらっぱの形になっています。

回答No.1

First_Noel

＞▽の方は最初沈むのを躊躇している気がします。

これは，ラッパ内に水が浸入するのが遅い為であると考えられます．
つまり，ラッパ内に水がない場合は，ラッパによる水の排除体積が大きいので浮力が大きいのですが，
水が浸入するに伴い排除体積が小さくあり，浮力が減少するからです．
△よりも▽の方が沈降速度が遅いのは，▽の方が水の進入口の面積が小さいので，
水が入りにくいからだと考えられます．

もし両者の沈降速度を正しく比較するのであれば，全体を水に沈め，
溜まった空気は全て追い出してから，水中で沈降を開始させることになります．

もし沈む速度がある程度あれば，ラッパ表面にかかる
「粘性抵抗」の大きさに違いがあるので沈降速度に違いが出るでしょう．
又，▽で沈むよりも，△で沈む方が，側面付近に発生する渦の影響で沈降速度が遅くなるでしょう．

また，ラッパ内の空気が抜けるには，▽よりも△の方が開口面積が小さいので
空気が抜けにくく，たまった空気はラッパの沈降と共に圧縮を受けますが，
それに反抗してラッパを押し上げようとしますから，これでも沈降速度に違いが出るでしょう．

お礼

回答ありがとうございます。

> ▽の方が水の進入口の面積が小さいので，水が入りにくいからだと考えられます．
これは主に表面張力によるものと考えていいでしょうか？

> 「粘性抵抗」の大きさに違いがあるので沈降速度に違いが出るでしょう．又、▽で沈むよりも，△で沈む方が，側面付近に発生する渦の影響で沈降速度が遅くなるでしょう．
粘性抵抗という言葉は知りませんでしたが、私も側面の抵抗を考えると△の方が遅いような気がしたのですが、少なくとも沈み始めは違っていました。水の中の速度の差は目で見てわかるほどではなかったです。

> たまった空気はラッパの沈降と共に圧縮を受けますが
説明不足でご迷惑おかけしました。ラッパの形状は＃２さんの補足説明で補足させて頂きました。両側とも穴は十分大きく空気の圧縮は起こっていない気がします。