ホースの途中を潰しているときの水の出方の原理について質問です。

質問

ホースから、水を出している状態で先端を潰すと流速が速くなり勢いよく水が飛び出します。しかし、潰す個所を先端から上流へ移動させていくとある場所から水の勢いが通常より弱くなってしまいます。
このような現象が起こる原理を教えて下さい。
よろしくお願いします。

回答No.2

mazeran · ベストアンサー

水は、細くて長い流路を流れると、水の分子が流れに平行に整然と並び、空中へ放り出されても散らばらずにある程度固まって飛ぶ性質があります。

どこかの高級なホテルの噴水にその原理が使われています。噴水が生き物のように振る舞い、芸術的でもあります。

水道のホースでもそれに近い現象が起きていて、潰された先端からは、ある程度水の分子が並んだ状態で、「層流」に近い流れになっているので、出口の面積が小さくなった分、スピートが増して遠くまで飛びます。

ところが先端よりもっと手前を潰すと、それまできれいに整った流れ（層流）が、潰したところを通った後に乱され（乱流）、流れそのものがメチャクチャになります。
乱流という流れは非常に抵抗が大きくなるので、上昇したスピードもこの抵抗で落とされてしまいます。おまけに潰されることで流量そのものが少なくなっているので、ホースの出口の勢いはかなり弱くなるのです。

よく「流線型」と言われますが、新幹線などが流線型なのは、新幹線の車体の後ろに「乱流」が発生すると、その分が抵抗となって高速走行にロスが発生するからです。おまけに乱流からは「騒音」も発生します。

従って、流れが「乱流」となって抵抗となり、勢いを失うわけです。

お礼

わかりやすいご説明ありがとうございました。

回答No.4

noname#20644

管が潰されるとその手前の圧力は増加する。その前後の圧力差をΔpとすると、流速はほぼ √(Δp)に比例する。
管の出口部におけるこの圧力差、Δpは、管内部におけるものより大きい。
というのは、管の出口の外部側は大気圧であるのに対し、管の内部では、水が管を通過する間に失う圧力を除けば、圧力源で生じた圧力が残っているからである。

回答No.3

hirombo

理論的な正確さには多少問題が有るかも知れませんが分りやすく説明してみます。
管路（ホース）のどこでも同じ量の水が流れると考えれば（流れ込んだ量の水が全部流れ出るので）理解し易いと思います。
単位時間に管路を通過する水の量をＱ、管路の断面積をＳ、水の流速をｖとすればこれらの関係は
Ｑ＝Ｓ×ｖ
となります。
つまり断面積を小さくすると同じ量の水が流れるために流速は速くなります。
ホースの先端を潰すと勢いよく水が飛び出すのはこのためです。

次にホースの途中を潰す場合を考えますが、まず始めにホースの途中を潰す替わりに、大径のホースに小径のホースを接続したモデルを考えると、小径のホースをある程度長くしてもその先端から水が勢いよく出るのが想像できます。
小径のホースをある程度長くしても と書いたのは、ホースの径が細くなると管路の抵抗が大きくなるので、あまり長くなるとその抵抗により流速が遅くなるからです。
この場合、流速が遅くなるのは出口だけではなくもちろん管路全体で流速が遅くなります。

次にホースの途中を潰した場合、潰されて断面積が小さくなった箇所では当然流速は上がります。
流速が上がって狭い部分を通過した直後、再び管路の径が太いもとの流速の遅い水に衝突して速度が落ちます。
ホースを潰す場所が出口のすぐ近くなら流速の上がった水の速度がもとの速度に戻る前に出口を通過することになります。
逆にホースを潰す場所が出口から十分離れていれば流速の上がった水の速度がもとの速度に戻ってから出口を通過することになります。
この説明だとホースの途中を潰す場合出口から十分離れた位置であればどこで潰してもホースの出口の流速はもとと同じ流速になりそうですが実際には管路の径が急激に変化する部分は流路の抵抗値が非常に大きくなるので管路全体の流速が遅くなり出口の流速が通常より落ちることになります。
キーワード：層流、乱流、流線型（回答＃２に説明されています）

お礼

わかりやすいご説明ありがとうございました。

回答No.1

furu-tu2003

流量の違いと圧力の変化です。

先端では水圧によって高められた圧力が開放され
勢い良く飛び出している訳です。

ホースを中間で潰すとその手前の圧力は高くなり
抑えた場所から先では勢い良く飛び出しますが
出口はもっと先にあるのでそこまで水の勢い継続させる
運動エネルギーは残っていません。
潰されてその先への流量が減っているので
勢いは何もしないときよりも弱くなります。

補足

ご回答ありがとうございます。
ホースを潰した手前では圧力は高くなりますが、その後の圧力はどうなっているのでしょうか？
後、ベルヌーイの定理でいわれているような断面積を小さくすると流速が上がり、圧力は小さくなるというのはあくまで同じ流量が流れている時の話でしょうか？