ホースから水道水の飛ぶ距離は絞ると大きいのはなぜ

質問

庭の水撒きをするとき不思議に思うことがあります。子供の質問のようで恥ずかしいのですが、
絞ると出水を邪魔しているのに。遠くまでとびます。念のため絞らない場合と両方の場合で毎秒の水量をバケツにためて計ってみましたがプラスマイナス５％くらいで殆ど差がありませんでした。

そこで質問です。
1.都市部の庭で水圧は安定していると想定しています。圧力が同じで水量も同じです。なぜ断面積を小さくすると遠くまでとぶのでしょうか。当局で圧力は管理されているときいています。

2,ホースに水撒きシャワー口を取り付けても同じことがおきます。強い勢いで遠くまでとびます。同じ理由でしょうか。

3.放水した水全体をバネ計りにあててみました。口のない場合と比べるとシャワーの方が70％くらい大きな数字がでました。確かに全体の運動量も大きいようです。ホースの中は速度圧力は同じような流れなのになぜ放出運動量に差が出るのでしょうか。

不思議に思って散水しています。ご回答よろしくお願いします。

回答No.7

shintaro-2

>そもそもなぜ絞っても流量が変わらないのかがふしぎです。お風呂のシャワーで実験しても流量は殆ど変わりませんでした

思考実験をしていただくと良いのですが

水の入ったある程度の長さの円筒（水道管）の一端からシリンジで押すと
他端ではシリンジの移動した分に相当する体積の水が出ます。

次に、他端を開放端ではなく、穴の開いた円板に変えてシリンジを押すと
他端ではシリンジの移動した分に相当する体積の水が出ます。
ところが、今回は穴が小さいので、管の直径／穴の直径分早く水が出ないと
押し込まれた分の水が出ません。

それがスピードの違いです。
結局、水が非圧縮性流体だからです。

回答No.6

notnot

No2です。
＞そもそもなぜ絞っても流量が変わらないのかがふしぎです。お風呂のシャワーで実験しても流量は殆ど変わりませんでした

出口が比較的大きいからだと思います。出口を絞った分、流出速度を上げれば流量が保てる範囲の大きさ。
出口が極端に小さく、例えば、針の穴サイズだとすると、流量は保てないでしょう。
普通の蛇口を閉めれば流量が減るのも穴が小さいからだと思います。
専門家ではありませんが、粘性とか摩擦が関係していそうです。

回答No.5

foomufoomu

No.2回答が正解です。
水の飛ぶ距離は、圧力では決まりません。水の速度で決まります。（下記の１．の2つ目の説明を見てください）

１．
(No.2と同じですが、)水量が一定なので、細い管(口を絞った)のほうが速く水が流れます。速いほうが遠くまで飛びます。

別の説明のしかたをすれば、
同じ力の人がボールを投げても、砲丸投げの玉と、野球のボールとでは、野球のボールのほうが遠くまで飛びます。野球のボールのほうが軽いからです。
水の圧力が同じなら、少ない水（口を絞った）のほうが水が軽いので、遠くまで飛びます。
（軽いから、同じ力でも速度が速くなります。しかし、1番目の説明のほうが分かりやすいですよね）

２．
同じです。シャワーの穴の一つ一つに同じ水圧がかかっています。ただし、穴１つにした場合に比べると、水量が分散する分、水の速度は少ないです。

3.
運動量の違いではありません。エネルギーの違いです。

中学(今は高校でしたか？)では衝突問題は運動量で解くように教えるので、こういう場合も運動量と思っている人が多いのですが、
運動量では、衝突の瞬間に起こったことには触れないで、衝突の前と衝突の後の関係だけに限って求めることができます。
水をハカリに当てる場合は、衝突の瞬間に起きることを知る必要があるので、運動量でなくエネルギーを使って解く必要があります。

この場合の式は、
水の持つエネルギー　E1 = 1/2 * m * v^2
ハカリのバネのポテンシャルエネルギー　E2 = 1/2 * K * x^2
(K:ばね係数、x:バネの変形量）
において、E1 = E2として ｘを求めて、F = K * x によってハカリがさす目盛りを計算します。
(F:バネにかかる力)
これをまとめると、
F = √(m * K * v^2)

口を絞って速度が増える場合、水量(m)が半分になると速度ｖが２倍になるのですから、絞ったほうがエネルギーは大きくなります。
ただし、あまり絞りすぎると、抵抗が増えて水量が減ってしまいますから、単純に前記の関係が成り立つわけでもないです。

回答No.4

noname#252332

蛇口を全開にすると蛇口の口径と配管全体の内径が近いのですから水道局から蛇口までの配管の全長にわたり均等に圧力が下がることが想像できます。蛇口に達するときはすでに圧力が低いのです。漫画チックに水道局から蛇口まで20Aの専用配管で引かれていると想像してください。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%A7%E5%8A%9B%E6%90%8D%E5%A4%B1

　これに対して蛇口を非常に絞っている場合、流量が小さいため水道管の圧力損失が小さく蛇口内の圧力は水道局で加えた圧力に非常に近くなるでしょう。

回答No.3

noname#252332

流体力学の授業ではNo.1殿の回答のように説明されます。水道局が提供するのは流量ではなく圧力だからです。

補足

ありがとうございました。少しプラスアルファーしてください。
圧力しか提供出来ないのは良く理解しているつもりです。だからこそ
疑問が生じるのです。少し解説をお願いします。

回答No.2

notnot

毎秒の水量が同じだと、穴が小さい方が、出てる水の速度(※)が大きくなりますので、速く投げたボールの方が遠くまで届くのと同じ理由で遠くまで届きます。

※ 毎秒1000cm3だとすると、穴が4cm2だと水の速度は250cm/s、穴が1cm2だと水の速度は1000cm/s。

補足

早速のご回答感謝します。連続の式からだけ考えると確かに速度が上がることになります。これば質量保存則ですね。

そもそもなぜ絞っても流量が変わらないのかがふしぎです。お風呂のシャワーで実験しても流量は殆ど変わりませんでした

蛇口を一杯に開けても水道管の抵抗で流量は決まってしまうのでしょうか。

再度のご回答期待します。

回答No.1

noname#252929

簡単に考えればわかります。

水道のホースを何も先に繋がなければ、その時の水の圧力は、限りなく０に近くなります。
供給側と出口側の断面積がが同じであれば、圧力がかからないのはわかると思います。

ホースの口を絞ると、入り口の断面積は、出口の断面積よりも小さくなりますので、出口が小さくなった分、圧力がかかることになります。

補足

早速のご回答ありがとうぞざいました。
絞ると圧力が上がるとのことですが、その圧力は元の水道管の圧力より大きいとは考えられません。まるで電気回路のトランスによるインピーダンス変換の様です。
ホースの先になにも無ければ圧力は限りなく0とのことなですが、これば水道管の元の圧力のエネルギーが限りなく運動エネルギーに変換されたということでしょうか。この運動エネルギーが飛距離を決めているのですね。

もしそうだとすれば絞った場合の方が同じ圧力水道管から大きな運動エネルギーを取り出すことになります。つまり水道局のポンプは散水装置を付けると余計な電気代が必要になるのでしょうか。一定の圧力がかかかる山の上の浄水場ならエネルギーはポンプは不要で使い方に依存しません。
エネルギー保存則についてご見解があれば是非コメントおねがいします。

台所の蛇口についても測って見ましたが、なぜ絞っても同じ水量がでるのか不思議です。同じ圧力から違う速度で水が飛び出すのがわかりません。また台所用バネばかりの数字はやはり絞った方が大きな数字がでます。庭のホースと同じ結果です。

再度のご回答期待します。