科目
流体力学
章
流れの基礎
図番
04 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
流体力学 4 / 12

出口を4分の1にすると、4倍遠くへ飛ぶ連続の式(流量は変わらない)

ホースのどこでも、毎秒通る水の量は同じ(入った量 = 出た量、Q = Av)。内径 15 mm のホースに毎分 12 L なら中は 1.13 m/s、出口を4分の1につぶすと4倍の 4.53 m/s で出て、高さ 1 m から届く距離も 0.511 m から 2.04 m に延びる。

庭のホースの先を親指でつぶし、水が細い筋になって遠くまで飛んでいる

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. ホースの先をつまむと、なぜ遠くまで飛ぶ?
  2. 公式はこれ
  3. 人の流れで考える
  4. 入った量 = 出た量
  5. つぶすと、速くなる
  6. 届く距離は、速さに比例
  7. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. ホースに戻る
  10. 動かしてみよう
  11. よくある勘違い
  12. この公式が使える条件
  13. 例題

この単元のポイント

  1. ホースのどこでも、毎秒通る水の量(流量)は同じ。入った量 = 出た量。流量 = 断面積 × 流速(Q=A v\sryQ = \sryA\,\sryV)なので、細い所ほど速く流れる。
  2. 内径 15 mm のホースに毎分 12 L なら、中の流速は 1.13 m/s。出口を指で4分の1につぶすと、4倍の 4.53 m/s で出る。
  3. 高さ 1 m から横に飛ばすと、届く距離は 0.511 m → 2.04 m(4倍)。床に落ちるまでの時間は同じなので、距離は出る速さに比例する。

ホースの先をつまむと、なぜ遠くまで飛ぶ?

庭で水まきをするとき、ホースの先を指でつぶすと、水が勢いよく遠くまで飛びます。蛇口は、少しもひねっていません。指でつぶしただけで、水が速くなるのはなぜでしょうか。

家の蛇口からは、毎分どれくらいの水が出るのでしょうか。東京都水道局の資料では、口径 13 mm の蛇口を、水圧 0.1 MPa でハンドルを 90度開くと、1分間に約 12 L 流れるとしています(水圧や蛇口の種類、開き方で変わります)。庭のホースの内径は、12〜15 mm くらいのものが売られています。

ここでは、内径 15 mm のホースに、毎分 12 L の水が流れているとします。

予想してから読むホースの出口を、指で4分の1の面積につぶした。高さ 1 m から横に飛ばした水が届く距離は、つぶす前の何倍になる?

公式はこれ

Q=A v\sryQ = \sryA\,\sryV
記号 意味 内径 15 mm のホース
Q\sryQ 流量(毎秒通る水の体積) [m³/s] 毎分 12 L = 0.2 × 10⁻³ m³/s
A\sryA 通り道の断面積 [m²] 177 mm²
v\sryV 流速(断面の平均の速さ) [m/s] 1.13 m/s

1秒のあいだに、水は 1.13 m 進みます。断面積 177 mm² の水の柱が 1.13 m 進むので、1秒に通る体積は 177 × 10⁻⁶ m² × 1.13 m = 0.2 × 10⁻³ m³、つまり 0.2 L。毎分 12 L です。

人の流れで考える

駅の広い通路から、狭い改札へ人が流れ込む場面を考えます。広い通路には人が4列で並んで、ゆっくり歩いています。改札は1列しか通れません。

前の人との間隔が同じなら、改札では、広い通路の4倍の速さで歩かないと、後ろの人が詰まってしまいます。1秒に通る人数は、広い所でも狭い所でも同じだからです。

0.5 m/s2 m/s幅 4 人分:ゆっくり幅 1 人分:4倍の速さどちらも毎秒 2 人が通る前後の間隔は、どこでも 1 m

水も同じです。ホースのどこでも、毎秒通る水の量は同じです。通り道が狭い所では、水は速く流れます。

ただし、人と水には違いが1つあります。人は詰まると、間隔を縮めて押し合えます。水は、押してもほとんど縮みません。だから水では、入った量と出た量が、いつもぴったり同じになります。

入った量 = 出た量

ホースの途中で水が増えたり、減ったりはしません。もし、入る量より出る量が少なければ、ホースの中に水がたまり続けて、ホースがふくらんでいくはずです。

ホースの中(場所 1)と、出口(場所 2)で、流量は同じです。

A1 v1=A2 v2\sryA_1\,\sryV_1 = \sryA_2\,\sryV_2

これを連続の式といいます。断面積が小さい所ほど、流速が大きくなります。

つぶすと、速くなる

出口を指でつぶして、面積をホースの r\srzR 倍にします。連続の式から、出口の速さは、

v2=A1A2 v1=v1r\srzVTwo = \dfrac{\srzAOne}{\srzATwo}\,\srzVOne = \dfrac{\srzVOne}{\srzR}

4分の1につぶすと(r=0.25\srzR = 0.25)、

v2=1.130.25=4.53 m/s\srzVTwo = \dfrac{1.13}{0.25} = 4.53\ \mathrm{m/s}

ホースの中の4倍の速さです。それでも、出口から出る水の量は、毎分 12 L のままです。

届く距離は、速さに比例

出口を高さ 1 m に構えて、水を真横に飛ばします。水は横へ進みながら、落ちていきます。落ちる速さは横の速さに関係なく、床まで 1 m 落ちるのにかかる時間は、いつも同じです。

t=2 yg=2×19.807=0.452 st = \sqrt{\dfrac{2\,\srzY}{\sryG}} = \sqrt{\dfrac{2 \times 1}{9.807}} = 0.452\ \mathrm{s}

この 0.452 秒のあいだに、水は横へ v2\srzVTwo で進みます。

出口の面積 r\srzR 出口の速さ v2\srzVTwo 届く距離 x\srzX
100%(つぶさない) 1.13 m/s 0.511 m
50% 2.26 m/s 1.02 m
25% 4.53 m/s 2.04 m

面積を半分にすると距離は2倍、4分の1にすると4倍。届く距離は、出る速さに比例します。

公式を、3つのかたまりに分けて読む

v⏟流れる速さ=Q⏞入ってくる量A⏟通り道の広さ\underbrace{\sryV}_{\text{流れる速さ}} = \dfrac{\overbrace{\sryQ}^{\text{入ってくる量}}}{\underbrace{\sryA}_{\text{通り道の広さ}}}
  1. 入ってくる量 Q\sryQ 蛇口の開き方で決まります。ホースの途中や出口では、変えられません。
  2. 通り道の広さ A\sryA ホースの太さや、出口のつぶし具合で決まります。内径の2乗に比例するので、内径を2倍にすると、面積は4倍です。
  3. 流れる速さ v\sryV 上の2つで決まる結果です。同じ量を狭い所に通すほど、速くなります。

どの数字がいちばん効く?

毎分 12 L・内径 15 mm・出口 100%・高さ 1 m から、それぞれの数字を 10% 変えたとき、届く距離がどう変わるかを並べます。

変えるもの 届く距離の変化 理由
流量 Q\srzQ を10%増やす +10% 速さが流量に比例する
ホースの内径 D\srzD を10%太く −17% 面積が内径の2乗で増え、速さが落ちる
出口の面積 r\srzR を10%広く −9.1% 速さが面積に反比例する
出口の高さ y\srzY を10%高く +4.9% 落ちる時間が高さの √ で延びる

いちばん効くのは、通り道の太さです。高く構えても、思ったほどは遠くへ飛びません。

ホースに戻る

ホースの先をつぶすと遠くまで飛ぶのは、蛇口から来る水の量が同じまま、出口が狭くなったからです。同じ量を狭い出口から出すには、速く流れるしかありません。

この決まりは、ホースの外でも見られます。川は、川幅の狭い所や浅い所で、流れが速くなります。

散水ノズルの「ジェット」と「シャワー」の切り替えも、出口の面積の使い分けです。シャワーは小さな穴をたくさん並べて、水を広く散らします。

つまり、ものを作るときは

水を遠くへ飛ばしたいときは、出口を細くします(ノズル)。流量が同じなら、出口の面積に反比例して速くなります。

水を静かに運びたいときは、管を太くします。内径を2倍にすると、流速は4分の1です。管の中の流れが遅いほど、管の摩擦で失う分も小さくなります(くわしくは 管の摩擦損失)。

動かしてみよう

はじめは、内径 15 mm のホースに毎分 12 L、出口はつぶしていません。出口の面積の割合 r\srzR を小さくしていくと、出口の青い矢印が伸び、水が遠くへ届くようになります。ホースの中の矢印の長さは変わりません。

図の上の「入った量 = 出た量」の2行は、どれだけつぶしても、同じ数字のままです。

ホースの内径 D\srzD を太くすると、ホースの中の流れが遅くなります。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. つぶさずに(100%)、ホースの内径 D を2倍の 30 mm にして、ホースの中の流速 v₁ と、出口から出る流量を見る(毎分 12 L のまま)(まだ)
  2. 内径 15 mm のまま、出口の面積の割合 r を 25%(4分の1)までつぶして、出口から出る速さ v₂ を見る(まだ)
  3. 出口の面積の割合 r を 50%(半分)にして、高さ 1 m から届く距離 x を、つぶさないときの 0.511 m と比べる(まだ)
%
L/min
mm
m
y1 mv₂ 1.13 m/sv₁ 1.13 m/sx = 0.511 m入った量 = 出た量ホースに入る 毎分 12 L出口から出る 毎分 12 L出口の面積は 100%、速さは ×1尺度高さと距離は実物の比ホース太さは約 11 倍に拡大
出口から出る速さは、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

v2=QA2=v1r\htmlClass{q-displacement}{v_2} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\htmlClass{q-geometry}{A_2}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{v_1}}{\htmlClass{q-geometry}{r}}=1.131= \dfrac{1.13}{1}=1.13 m/s= 1.13\ \mathrm{m/s}
出口から出る速さ
v2=1.13 m/s\htmlClass{q-displacement}{v_2} = 1.13\ \mathrm{m/s}
届く距離
x=0.511 m\htmlClass{q-displacement}{x} = 0.511\ \mathrm{m}
ホースの中の流速
v1=1.13 m/s\htmlClass{q-displacement}{v_1} = 1.13\ \mathrm{m/s}
ホースの断面積
A1=177 mm2\htmlClass{q-geometry}{A_1} = 177\ \mathrm{mm^2}
出口の断面積
A2=177 mm2\htmlClass{q-geometry}{A_2} = 177\ \mathrm{mm^2}
出口から出る流量
Q2=12 L/min\htmlClass{q-displacement}{Q_2} = 12\ \mathrm{L/min}
途中の計算(導出)を見る
  1. ホースの断面積

    A1=π D24=π×1524=177 mm2\htmlClass{q-geometry}{A_1} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{D}^2}{4} = \dfrac{\pi \times 15^2}{4} = 177\ \mathrm{mm^2}
  2. ホースの中の流速(毎秒通る体積 ÷ 断面積)

    v1=QA1=12/60×10−3 m3/s177×10−6 m2=1.13 m/s\htmlClass{q-displacement}{v_1} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\htmlClass{q-geometry}{A_1}} = \dfrac{12 / 60 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^3/s}}{177 \times 10^{-6}\ \mathrm{m^2}} = 1.13\ \mathrm{m/s}
  3. 出口の断面積(指でつぶして、ホースの r 倍にする)

    A2=r A1=1×177=177 mm2\htmlClass{q-geometry}{A_2} = \htmlClass{q-geometry}{r}\,\htmlClass{q-geometry}{A_1} = 1 \times 177 = 177\ \mathrm{mm^2}
  4. 出口から出る速さ(入った量 = 出た量なので、面積が小さいほど速い)

    v2=QA2=v1r=1.131=1.13 m/s\htmlClass{q-displacement}{v_2} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\htmlClass{q-geometry}{A_2}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{v_1}}{\htmlClass{q-geometry}{r}} = \dfrac{1.13}{1} = 1.13\ \mathrm{m/s}
  5. 届く距離(床まで落ちる時間のあいだ、横へ v₂ で進む)

    x=v22 yg=1.13×2×19.807=1.13×0.452 s=0.511 m\htmlClass{q-displacement}{x} = \htmlClass{q-displacement}{v_2}\sqrt{\dfrac{2\,\htmlClass{q-geometry}{y}}{\htmlClass{q-geometry}{g}}} = 1.13 \times \sqrt{\dfrac{2 \times 1}{9.807}} = 1.13 \times 0.452\ \mathrm{s} = 0.511\ \mathrm{m}

よくある勘違い

「先をつぶすと、出る水の量が増える」

増えるのは速さで、量ではありません。

つぶさない 4分の1につぶす
出る量(流量) 毎分 12 L 毎分 12 L
出る速さ(流速) 1.13 m/s 4.53 m/s

バケツを満たす時間は、つぶしても、ほとんど変わりません。

「流量と流速は、同じもの」

流速は、水が 1 秒に進む距離 [m/s] です。流量は、1 秒に通る水の体積 [m³/s] です。同じ流量でも、太い管ではゆっくり、細い管では速く流れます。

「つぶすと、蛇口からの流れも強くなる」

指でつぶしても、蛇口の開き方は変わりません。出口を速く出ていくには、ホースの中の水が、出口の手前で余分に押されている必要があります。その押す力(圧力)と速さの関係は、あとの ベルヌーイの定理 で扱います。4.53 m/s に要る圧力は約 10 kPa で、水道の圧力(上の資料の例で 0.1 MPa = 100 kPa)に比べて小さいので、流量はほとんど変わらないとみなせます(目安)。強くつぶすほど、実際には流量が少しずつ減ります。

この公式が使える条件

  • 流体が押し縮められない(水などの液体。空気でも、ゆっくりした流れならよい)
  • 流れの様子が時間で変わらない(定常の流れ)
  • 途中に、水の出入りする口がない(枝分かれがあれば、出口の量を足し合わせる)
  • 流速は、断面の平均の速さ(実際は、管の壁の近くは遅く、真ん中は速い)
  • 届く距離の計算では、空気の抵抗を考えない。蛇口から来る流量は、つぶしても変わらないとする
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

流れる質量の勘定:管の、場所 1 と場所 2 の間の水を考えます。短い時間 Δt\Delta t のあいだに、場所 1 から入る水は、断面積 A1\sryA_1、長さ v1Δt\sryV_1\Delta t の柱なので、質量は ρ1A1v1Δt\sryRho_1\sryA_1\sryV_1\Delta t です。場所 2 から出る水は ρ2A2v2Δt\sryRho_2\sryA_2\sryV_2\Delta t です。

流れの様子が変わらないなら、間の水の質量は増えも減りもしません。入った質量 = 出た質量なので、

ρ1A1v1=ρ2A2v2\sryRho_1\sryA_1\sryV_1 = \sryRho_2\sryA_2\sryV_2

水は押し縮められないので、ρ1=ρ2\sryRho_1 = \sryRho_2。両辺を ρ\sryRho で割ると、

A1v1=A2v2=Q\sryA_1\sryV_1 = \sryA_2\sryV_2 = \sryQ

届く距離:出口を出た水は、横へは速さ v2\srzVTwo のまま進み(空気の抵抗なし)、縦には、止まった所から自由に落ちます。高さ y\srzY 落ちるまでの時間は y=12gt2\srzY = \tfrac{1}{2}\sryG t^2 から

t=2 ygt = \sqrt{\dfrac{2\,\srzY}{\sryG}}

そのあいだに横へ進む距離は

x=v2 t=v22 yg\srzX = \srzVTwo\,t = \srzVTwo\sqrt{\dfrac{2\,\srzY}{\sryG}}

v2\srzVTwo が4倍なら、x\srzX も4倍です。

例題

例題1 バケツで流量を測る

内径 15 mm のホースで、10 L のバケツに水を入れたら、40 秒で満ちました。

(1) 流量は毎分何 L ですか。(2) ホースの中の流速はいくらですか。

ヒント 1 / 2

流量は「体積 ÷ 時間」。L/s を 60 倍すると L/min です。

ヒント 2 / 2

流速は、流量を m³/s に直してから、断面積で割ります。

答えと解き方を見る
(1) Q=10 L40 s×60=15 L/min(1)\ \sryQ = \dfrac{10\ \mathrm{L}}{40\ \mathrm{s}} \times 60 = 15\ \mathrm{L/min}
(2) v=15×10−3/60π×0.0152/4=1.41 m/s(2)\ \sryV = \dfrac{15 \times 10^{-3} / 60}{\pi \times 0.015^2 / 4} = 1.41\ \mathrm{m/s}
  1. ホースの断面積

    A1=π D24=π×1524=177 mm2\htmlClass{q-geometry}{A_1} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{D}^2}{4} = \dfrac{\pi \times 15^2}{4} = 177\ \mathrm{mm^2}
  2. ホースの中の流速(毎秒通る体積 ÷ 断面積)

    v1=QA1=15/60×10−3 m3/s177×10−6 m2=1.41 m/s\htmlClass{q-displacement}{v_1} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\htmlClass{q-geometry}{A_1}} = \dfrac{15 / 60 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^3/s}}{177 \times 10^{-6}\ \mathrm{m^2}} = 1.41\ \mathrm{m/s}

毎分 12 L のときの 1.13 m/s より、流量が 1.25 倍なので、流速も 1.25 倍です。

バケツと時計があれば、家の蛇口の流量を自分で測れます。

例題2 太い管から細い管へ

内径 25 mm の水道管が、内径 15 mm の管につながっています。太い管の中を、水が 0.8 m/s で流れています。

(1) 流量は毎分何 L ですか。(2) 細い管の中の流速はいくらですか。

ヒント 1 / 2

流量 Q=AvQ = Av は、太い管でも細い管でも同じです。

ヒント 2 / 2

断面積は内径の2乗に比例するので、速さは内径の2乗に反比例します。

答えと解き方を見る
(1) Q=0.8×π×0.02524=0.393×10−3 m3/s=23.6 L/min(1)\ \sryQ = 0.8 \times \dfrac{\pi \times 0.025^2}{4} = 0.393 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^3/s} = 23.6\ \mathrm{L/min}
(2) v2=0.8×(2515)2=2.22 m/s(2)\ \sryV_2 = 0.8 \times \left(\dfrac{25}{15}\right)^2 = 2.22\ \mathrm{m/s}

内径の比が 25/15 なので、断面積の比は (25/15)² = 2.78 倍です。細い管では、その分だけ速く流れます。

例題3 じょうろのはす口

じょうろの先のはす口に、直径 1 mm の穴が 50 個あいています。じょうろから、毎分 6 L の水が出ています。どの穴からも同じ速さで出るとします。

(1) 穴の面積の合計はいくらですか。(2) 1つの穴から出る水の速さはいくらですか。

ヒント 1

出口の面積は、50 個の穴の面積の合計です。

答えと解き方を見る
(1) 50×π×124=39.3 mm2(1)\ 50 \times \dfrac{\pi \times 1^2}{4} = 39.3\ \mathrm{mm^2}
(2) v=6×10−3/6039.3×10−6=2.55 m/s(2)\ \sryV = \dfrac{6 \times 10^{-3} / 60}{39.3 \times 10^{-6}} = 2.55\ \mathrm{m/s}

穴がいくつに分かれていても、出口の面積の合計で流量を割れば、速さが出ます。

50 個の穴の面積の合計 39.3 mm² は、直径 7 mm ほどの穴1つと同じです。