JP6997933B2 - 回転水槽実験装置及び回転水槽実験方法 - Google Patents
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Description
このため、用いる円筒形水槽の個数と直径の決定、個々の水槽を熱源とするか、現象を発現するための水槽とするかの選択、水槽に注入する流体の温度と深さの設定、個々の水槽間の流体の温度の差の設定、モータの回転数の設定、現象を可視化する物質の選定と用い方等を条件とし、実験時条件をよく知っておいて準備し実験に入ることを前提とし、条件を適宜に組み合わせ観察対象とする現象を発現させ、合わせて使い易い装置と方法を実現する。以下、蛇行現象を発現させる流体の運動を説明する。水槽115の水は、駆動部2からの回転力を受け、駆動部112の回転と同じ接線方向の円周運動、いわゆる剛体回転をする。このとき、水槽115を挟む水槽114と水槽116の各々の水温の温度差が存在することにより、水槽115の水は半径方向に熱的な力を受けて、水槽115の外側から内側にも運動する。その半径方向の運動は、回転力により、見かけの力、即ちコリオリの力も受けて、進行方向の右側に進路を変える。つまり、剛体回転ではなく、駆動部112からの回転よりもさらに速い円周運動を始める。流体は渦度を保存しているので、冷水水槽115との境界の壁に到達したときに、渦度保存則により今度は外側へ向かう。即ち、このとき、水槽115の水は円周方向へ運動しながら、その進行方向の右側へ向かう力コリオリ力を受け、外周へ少しずつ向かう。この運動を繰り返しつつ、外側の水槽116との境界の壁に到達すると、先述した温度差により再び内側へ向かう。この繰り返しで、水槽115の水面に浮遊させたアルミ粉末は蛇行するような模様を描くようになる。以上は、蛇行流を発現させる論理であるが、実験装置で模擬的にこの蛇行現象を発現させるためには、大気が地表面に存在するための空間を構築すること、流体に回転力を与えること、そして流体に温度差を与えて水槽の半径方向の力を必要とすること。これらの、大地と回転力と半径方向の力の組み合わせで、様々な大気の流れを模擬的に発現させる。地球表面上の空間は複数個の水槽で模擬し、回転力はモータで模擬し、半径方向の力は流体に与える温度差・温度勾配で模擬する。
この表の水槽の直径を、水槽の内側部分を横軸、外側部分を縦軸にして図9上に波数Nをプロットした。そして、図9から、波数と内側部分の直径との線形関係を見出し、1本の直線として、線形関係を図8に示した。ただし、蛇行現象を発現する必要がない実験の場合は、これらの表の値に拘わらず、現象を発現させる水槽の幅AB、幅BCを決めるために、水槽の直径を決めるとよい。この場合、幅の寸法としては2cm以下の寸法が好ましい。
図5、図6で説明する。一つの台風は台風の上層51と、下層52で、大気の流れが逆転している。下層では台風のまわりの大気が台風の中心に向かって吹込み北半球ではコリオリ力により右へ曲げられ、回転軸を中心として左回りの気流となり、上層では、台風の中心を上昇した大気が上層で、中心から外周に向かって吹き出し、コリオリ力によって回転軸を中心として右回りの気流となる。即ち台風は、地軸を中心として周回せず、例えば太平洋上を決められた方向を持つことなく、地軸ではなく、自分自身の軸の周りに回転しながら移動する。この異なる軸での回転と、上層と下層での大気の流れ方向が逆転している状態を、回転軸を偏心させて配置し、5重の水槽で模擬的に実現した。即ち、水槽61、水槽62、水槽63、水槽64、水槽65の直径をそれぞれ、4.4cm、8.2cm、11.4cm、15cm、17.8cmとし、水槽65を、駆動部の回転中心に同軸にして係合し、水槽64を水槽65に偏心して内設し、水槽63を水槽64に同軸にして内設し、水槽62を水槽63に同軸にして内設し、水槽61を水槽62に同軸にして内設する構成とする。水槽61に5℃の水を、水槽63に35℃の水を、水槽65に5℃の水を注入し、水槽62には20℃の水を注入し、水槽64にも20℃の水を注入し、水槽62、水槽64の水面上にアルミニウム粉を散布し、水槽部を回転する。水槽62の水面上に左まわりの同心円状の流れ66が、水槽64の水面上には同心円状の右まわりの流れ67が発現した。水槽62は台風の下層52の、水槽64は台風の上層51の大気の流れを模擬したものとなる。
2 駆動部2(駆動部という表現は水槽の個数に拘わらず使うものとする)
3 モータ3(モータという表現は水槽の個数に拘わらず使うものとする)
4 モータの回転軸4
5 水槽5(最内部の水槽)
6 水槽6(最内部から1つ目の水槽)
7 水槽7(最内部から2つ目の水槽)
8 水槽8(最内部から3つ目の水槽)
9 水槽9(最外部の水槽)
21 水槽21(最内側の水槽、冷熱源、3重水槽)
22 水槽22(最内側から一つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる)
23 水槽23(最外側の水槽、温熱源)
24 回転方向24(水槽液面上及び地球上での蛇行流の回転方向、左回り)
25 回転方向25(水槽及び地球の回転方向、左回り)
31 等高度線31(気圧高度500hPaにおけるジオポテンシャル高度5580m)32 等高度線32(気圧高度500hPaにおけるジオポテンシャル高度5400m)33 等高度線33(気圧高度500hPaにおけるジオポテンシャル高度5220m)34 等高度線34(気圧高度500hPaにおけるジオポテンシャル高度5160m)35 回転方向35(北半球での高緯度の蛇行流、左回り)
36 回転方向36(北半球での低緯度の蛇行流、左回り)
37 回転方向37(地球の回転方向、左回り)
41 水槽41(最内部の水槽、冷熱源、4重水槽、2つの蛇行流)
42 水槽42(最内部から1つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる。
水槽43の冷熱源となる)
43 水槽43(最内部から2つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる。
水槽42の温熱源となる)
44 水槽44(最外部の水槽、温熱源)
45 回転方向45(蛇行流、左回りであることを示す)
46 回転方向46(蛇行流、左回りであることを示す)
47 回転方向47(水槽及び地球の回転方向、左まわり)
51 下層の気流51(北半球における台風の上層の気流、右回り)
52 下層の気流52(北半球における台風の下層の気流、左回り)
53 回転方向53(内側から外側へ吹き出す上層の気流、右回りであることを示す)
54 回転方向54(外側から内側へ吹きこむ下層の気流、左回りであることを示す)
61 水槽61(最内部の水槽、冷熱源、5重水槽、台風中心を偏心配置)
62 水槽62(最内部から1つ目の水槽)
63 水槽63(最内部から2つ目の水槽、温熱源)
64 水槽64(最内部から4つ目の水槽)
65 水槽65(最外部の水槽、冷熱源)
66 回転方向66(台風下層の流れの方向、左回りであることを示す)
67 回転方向67(台風上層の流れの方向、右回りであることを示す)
68 回転方向68(水槽及び地球の回転方向、左回りであることを示す
71 水槽71(最内部の水槽、冷熱源、5重水槽、貿易風)
72 水槽72(最内部から1つ目の水槽)
73 水槽73(最内部から2つ目の水槽、温熱源)
74 水槽74(最内部から4つ目の水槽)
75 水槽75(最外部の水槽、冷熱源)
76 回転方向76(偏西風の流れの方向、左回りであることを示す)
77 回転方向77(貿易風の流れの方向、右回りであることを示す)
78 回転方向78(水槽及び地球の回転方向、左回りであることを示す)
81 波数予測図(図9を基として、水槽の直径と波数との関係が線形に表されると推定されるので、一次式で表現可能と考え、作図したものである)
82 横軸82(水槽21の直径を表す。直径2Aと表記する)
83 縦軸83(蛇行流の波数Nを表す。直径2Aの時、グラフの線との交点の縦座標が蛇行流の波数Nを表す)
91 波数の実験結果プロット原図(水槽21と水槽22の様々な直径の組み合わせで発現した蛇行流の波数を1~12の数字で示す)
92 横軸92(水槽21の直径を2Aと表記する)
93 縦軸93(水槽22の直径を2Bと表記する)
100 地球の回転軸
101 地球の回転方向、左回り
102 半球における極偏東風、右回り
103 北半球における偏西風、左回り
104 北半球における台風、下層、左回り。上層、右回り
105 北半球における赤道偏東風、右回り
106 地球の赤道
107 南半球における赤道偏東風、右回り
108 南半球における偏西風、左回り
109 南半球における極偏東風、右回り
111 水槽部111(従来の装置の水槽部)
112 駆動部112(従来の装置の駆動部)
113 モータ113
114 冷水水槽114(従来の装置の最内側の水槽、冷熱源)
115 試験水槽115(従来の装置で蛇行流を発現させる水槽)
116 温水水槽116(従来の装置の最外側の水槽、温熱源)
117 付帯設備117
121 左の写真、4重水槽(2つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る)
122 左の写真、4重水槽(2つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る)
123 右の写真、4重水槽(2つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る)
124 右の写真、4重水槽(2つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る)
Claims (5)
- 直径の異なる3~5個の円筒状の水槽からなり、
最外部の実験水槽の直径は30cm以下、最内部の直径は1cm以上で、水槽の高さがそれぞれ2~10cmであり、
該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかであり、最外部中心から1~5cm偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、前記回転軸受けをモータで駆動可能として、
水槽には0℃~70℃の流体を、水槽の底面から所定の高さまで注入し、
隣接する水槽の間に0~50℃の温度差を形成し、
1つまたは2つの水槽内の流体の液面上に、任意の波の数(整数)を有する蛇行流を発現できることを特徴とする回転水槽実験装置。
- 直径の異なる3~5個の円筒状の水槽からなり、
最外部の実験水槽の直径は30cm以下、最内部の直径は1cm以上で、
水槽の高さがそれぞれ2~10cmであり、
該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかであり、
最外部中心から1~5cm偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、前記回転軸受けをモータで駆動可能として、
水槽には0℃~70℃の流体を、水槽の底面から所定の高さまで注入し、隣接する水槽の間に0~50℃の温度差を形成し、
任意の波の数(整数)を有する蛇行流を発現できることを特徴とする回転水槽実験方法。
- 水槽の数が3個であって、各水槽は同軸に係合し、
最内部の水槽の直径を1~15cmとし、
最内部から1つ目の水槽の直径を4~20cmとし、
最外部の水槽の直径を最内部から1つ目の水槽の直径よりも1~8cm大きくし、
最外部の水槽には0℃~+70℃の流体を注入し、
最内部の水槽には0℃~+50℃の流体を注入し、
最内部の水槽から1つ目の水槽には、最内部の水槽内の流体温度よりも高く、最外部の水槽内の流体温度よりも低い温度の流体を注入し、
各水槽には底面から2~6cmの高さまで流体を注入し、
最外部の水槽と最内部の水槽との間に1~50℃の温度差を形成し、
最内部の水槽から1つ目の水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、
モータを駆動し、水槽を1~20RPMの範囲で回転させ、
最内部から1つ目の水槽の液面上の可視化物質の蛇行の波の数(整数)を最内部の水槽の直径をcmで表した時の整数部の数に略等しい値、または該整数部の数±2の範囲内とする蛇行流を発現させることを特徴とする回転水槽実験方法。
- 水槽の数が5個であって、
最外部から1つ目、2つ目、3つ目、最内部の水槽を同軸に係合し、これらの4つの水槽を最外部の水槽に偏心して配置し、偏心量は駆動部中心より1~5cmの範囲内とし、
最外部及び最内部の水槽には0~50℃の流体を、最外部から2つ目の水槽には、10~70℃の流体を注入し、
最外部の水槽と最外部から2つ目の水槽の間に1~50℃の温度差を作り、温度勾配を形成し、
最内部の水槽と最内部から2つ目の水槽の間に1~50℃の温度差を作り、しかも上述の温度勾配とは逆方向の温度勾配を形成し、
最外部から1つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から2つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から3つ目の水槽には、最外部から2つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、
最外部から1つ目及び3つ目の2つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を1~30RPMの範囲で回転させ、
2つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とする回転水槽実験方法。
- 水槽の数が5個であって、
各水槽は同軸に係合する方法を有し、
最外部及び最内部の水槽には0~50℃の流体を、最外部から2つ目の水槽には、10~70℃の流体を注入し、
最外部の水槽と最外部から2つ目の水槽の間に1~50℃の温度差を作り、温度勾配を形成し、
最内部の水槽と最内部から2つ目の水槽の間に1~50℃の温度差を作り、しかも上述の温度勾配とは逆方向の温度勾配を形成し、
最外部から1つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から2つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から3つ目の水槽には、最外部から2つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、
最外部から1つ目及び3つ目の2つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を1~30RPMの範囲で回転させ、
2つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とする回転水槽実験方法。
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JP3070250U (ja) | 2000-01-13 | 2000-07-28 | 株式会社マルトー | 高気圧における転向力の可視化実験モデル |
JP2002006736A (ja) | 2000-06-27 | 2002-01-11 | Toshihiro Akashi | 渦巻発生装置 |
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- 2017-04-13 JP JP2017079551A patent/JP6997933B2/ja active Active
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