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- 流体力学
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- 流れの基礎
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- 07 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
消防の筒先は、22 kg の力で押し返す運動量の法則(噴流が押す力)
噴流が板を押す力は、毎秒ぶつかる水の質量 × 速さ(F = ρQv)で、筒先も同じ大きさの反動を受ける。消防の筒先(口径 22.2 mm)から毎分 550 L を出すと、水は 23.7 m/s、反動は 217 N(約 22 kg の物の重さ)。同じ水の量で速さを2倍にすると力は2倍、同じ筒先で流量を2倍にすると速さも2倍になって力は4倍。

このページの内容
この単元のポイント
- 噴流が板を押す力は、毎秒ぶつかる水の質量 × 速さ()。水を出す筒先も、同じ大きさの反動を後ろ向きに受ける。
- 消防の筒先(口径 22.2 mm)から毎分 550 L を出すと、水は 23.7 m/s、反動は 217 N(約 22 kg の物の重さ)。東京消防庁の測定でも 22 kg だった。
- 同じ水の量で速さを2倍にすると、力も2倍。同じ筒先で流量を2倍にすると、速さも2倍になって、力は4倍。
消防の筒先は、なぜ押し返してくる?
火事の現場で放水する消防隊員は、ホースの先の筒先を、両手でしっかり握り、体で押さえています。水を前へ勢いよく出すと、筒先は後ろへ強く押し返されるからです。
ホースの中の水は、ただ前へ流れているだけです。それなのに、筒先はどれだけの力で押し返してくるのでしょうか。出す水を増やすと、その力はどう変わるのでしょうか。
予想してから読む同じ筒先のまま、毎分の放水量を2倍にすると、筒先の反動は何倍になる?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 消防の筒先(毎分 550 L) |
|---|---|---|
| 噴流が板を押す力(筒先の反動) [N] | 217 N | |
| 水の密度 [kg/m³] | 998.2 kg/m³ | |
| 毎秒出る水の体積 [m³/s] | 9.17 × 10⁻³ m³/s | |
| 噴流の速さ [m/s] | 23.7 m/s |
は、毎秒出る水の質量です。力は「毎秒の質量 × 速さ」と読めます。
毎秒の質量 × 速さ
ボールを壁に当て続ける
テニスのボールを打ち出す機械を、壁に向けて置きます。ボールが次々に壁に当たると、壁は、ボールに押され続けます。
壁を押す力は、2つのことで大きくなります。
- 毎秒当たるボールの質量が大きいほど(重いボール・たくさんのボール)
- ボールの速さが大きいほど
物の速さを止めるには、「質量 × 速さ」(運動量)の分だけ、押し返さなければなりません。毎秒止めた運動量が、そのまま押す力になります。これを運動量の法則といいます。
噴流に当てはめる
噴流は、水のかたまりが、切れ目なく並んで飛んでくるものです。板に当たった水は横へそれて、前へ進む速さは 0 になります。毎秒、質量 の水が、速さ を失います。
筒先の側では、逆のことが起きています。筒先は、止まっていた水を毎秒 だけ、速さ まで押し出します。水を前へ押せば、筒先は同じ大きさで後ろへ押し返されます。これが反動です。
数で確かめる
消防の筒先の口径を 22.2 mm、放水量を毎分 550 L とします。毎分 550 L は、毎秒 9.17 L です。
- 口の面積:
- 噴流の速さ:
- 毎秒の質量:
217 N を 9.807 で割ると、22.1 kg。22 kg の物を持ち上げるのと同じ重さの力が、筒先を後ろへ押します。
この数字は、実物の測定と合っています。東京消防庁の消防科学研究所は 1974年に、口径 22.2 mm のノズルで、放水量が毎分 550 L のとき、反動が 22 kg だったと報告しています。同じ報告には、筒先を持っていられる限界は、反動 20 kg くらいと言われていることも書かれています。
筒先の手前の圧力と、反動の関係
筒先の手前では、水はホースの中をゆっくり流れ、圧力を持っています。筒先は、その圧力を速さに両替します。ベルヌーイの定理 の財布の中身の両替です(ホースの中の速さは、小さいので考えません)。
東京消防庁の測定では、毎分 550 L のときのノズルの圧力は、ほぼ 0.29 MPa(3 kgf/cm²)でした。損失を考えない 280 kPa と、よく合います。
力の式に を入れると、反動は、圧力と口の面積でも書けます。
反動は「圧力 × 口の面積」の2倍です。280 kPa × 387 mm² × 2 で、やはり 217 N になります。
同じ筒先で流量2倍なら、力は4倍
流量と口径を変えて、力を比べます。
| 毎分の放水量 | 口径 | 噴流の速さ | 力 |
|---|---|---|---|
| 550 L | 22.2 mm | 23.7 m/s | 217 N |
| 550 L | 15.7 mm(面積が半分) | 47.4 m/s | 433 N(2倍) |
| 1,100 L | 22.2 mm | 47.4 m/s | 867 N(4倍) |
口を細くして、同じ量の水を2倍の速さで出すと、力は2倍です。毎秒ぶつかる質量は同じで、速さだけが2倍だからです。
同じ口から2倍の水を出すと、口を通る速さも2倍になります。量が2倍・速さが2倍で、力は4倍です。同じ東京消防庁の測定では、毎分 720 L に増えると、反動は 37 kg になりました。計算では 371 N(37.9 kg)です。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
- 水は 1 m³ で約 1,000 kg。空気は 1.2 kg なので、同じ量・同じ速さなら、力は水の約830分の1です。
- 毎秒どれだけの体積を出すか。ρ とかけると、毎秒の質量になります。
- そのかたまりを、どれだけの速さにしたか。同じ量なら、速いほど強く押します。
量と速さは、筒先の口で結びついています()。口の大きさが決まっていると、量を増やせば速さも増えます。だから、同じ筒先では、力は流量の2乗で効きます。
空気でも、同じ式が使えます。天井からフックで吊った扇を回すと、羽根は空気を下へ押し出します。回すと、フックが扇を引く力は増えるでしょうか、減るでしょうか。予想してから、風の強さを「強」にしてみてください。
フックの力 = 重さ 63.7 N − 空気が押す力 0.0 N = 63.7 N
羽根は、止まっていた空気を速さ v まで押し出します。押す力は「毎秒の質量 × 速さ」。筒先の反動と同じ式です。扇が空気を押すと、空気は同じ大きさで扇を押し返します。
いまの値
- 重さ m g
- 63.7 N
- 毎秒動かす空気 ṁ = ρ A v
- 0.00 kg/s
- 空気を押す力 F = ṁ v
- 0.0 N
- フックの力
- 63.7 N
- 重さとくらべて
- 同じ
ヘリコプターが浮くのは、押す力が重さと同じになったとき(F = m g)です。この見積もりでは、この扇が浮くには風の速さが 約 6.8 m/s 要ります。「強」の 2.0 m/s では、とても足りません。
ためす
- 風を「切」から「強」にすると、フックの力は何 N 軽くなる?
- 風の速さを 1.5 m/s から 3 m/s へ2倍にすると、空気を押す力は何倍になる?
- 風の向きを「上向き」にすると、フックの力は重さより大きくなる?小さくなる?
答えを見る
1. 初めの扇(6.5 kg・直径 1.2 m)なら 約 5.4 N。重さの 約 9% です。 2. 4倍。毎秒の質量が2倍、速さも2倍になるからです。 3. 大きくなる。空気を上へ押すと、扇は下へ押し返されます。
実物のプロペラでは、羽根を通ったあとの流れが細く・速くなるので、同じ式でも係数が変わります(プロペラの単元の式では、羽根を通る速さ v に対して 2ρAv²)。この盤は、流れが細くならないとした、いちばん簡単な見積もりです。押す力は、この値の半分〜2倍の幅で変わります。 扇の下の空気を、羽根の円と同じ太さで、どこも同じ速さ v の流れとした見積もりです(空気の密度 1.2 kg/m³)。実物は、羽根の先と中心で速さが違い、部屋の中をめぐる流れでも変わります。 空気の粒は、流れを計算したものではありません。決めた道の上を、v に比例した速さで動かしています。風の速さと回転数の関係は機種で違うので、回転数は出していません。
どの数字がいちばん効く?
毎分 550 L・口径 22.2 mm から、1つずつ数字を変えたときの、反動の変わり方です。
| 変えるもの | 反動の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 同じ筒先で、流量を10%増やす | +21% | 量も速さも 10% 増える |
| 流量はそのまま、口径を10%太く | −17% | 面積が 1.21倍、速さが 1/1.21 |
| 同じ筒先で、筒先の圧力を10%上げる | +10% | 反動 = 2 × 圧力 × 面積 |
| 流量はそのまま、速さを10%上げる(口を細く) | +10% | 量 × 速さ |
いちばん効くのは、同じ筒先のまま流量を増やすことです。
消防の筒先に戻る
毎分 550 L の放水で、筒先の反動は 217 N(約 22 kg)。持っていられる限界と言われる 20 kg とほぼ同じです。消防隊員が両手と体で筒先を押さえるのは、それだけの力が、休まず押し返してくるからです。
ポンプの圧力が急に上がると、流量が増え、反動は流量の2乗で大きくなります。東京消防庁の研究所は、そうした圧力の変化があっても放水量を一定に保つ「定流量器」を作り、隊員の安全を図った、と報告しています。
ホースを地面に置いたまま水を出すと、筒先が跳ね回ります。押さえる人がいないので、反動で筒先が後ろへ、横へと動き続けるのです。
つまり、ものを作るときは
水や空気を勢いよく出す口には、毎秒の質量 × 速さの反動がかかる。筒先・ノズル・吹き出し口を取り付ける金具は、この力に耐えるようにする。流量を増やすときは、同じ口なら力が流量の2乗で増えることに気をつける。
噴流で物を押したいときは、流れの向きを大きく変えるほど、強く押せる。平らな板で横へそらすより、おわん形の羽根で真後ろへ折り返すと、速さの変わり方が2倍になり、力も2倍になる(損失のないとき)。ペルトン水車の羽根が、この形です。
動かしてみよう
流量 と口径 のスライダーを動かしてみてください。左の筒先の反動と、右の板を押す力の矢印は、いつも同じ長さで伸び縮みします。
口径を細くすると、噴流が細く、速くなり、力も大きくなります。流量を増やすと、量と速さが一緒に増えるので、矢印はもっと大きく伸びます。
「いまの図を残して比べる」を押してから流量を2倍にすると、矢印が4倍に伸びるのを、並べて見られます。
試してみよう0 / 3
- 口径は 22.2 mm のまま、流量 Q を毎分 720 L にして(筒先の圧力を上げたとき)、反動を見る(まだ)
- 流量は毎分 550 L のまま、口径 d を 15.7 mm(口の面積が半分)にして、力が何倍になるか見る(まだ)
- 口径は 22.2 mm のまま、流量 Q を2倍の毎分 1,100 L にして、力が何倍になるか見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 噴流が板を押す力(筒先の反動)
- 噴流の速さ
- 毎秒出る水の質量
- 同じ重さになる物の質量
- 筒先の口の面積
- 筒先の手前に要る圧力(ゲージ・損失なし)
途中の計算(導出)を見る
筒先の口の面積
噴流の速さ(毎秒の体積を、口の面積で割る)
毎秒ぶつかる水の質量
板を押す力(毎秒の質量 × 失った速さ)。筒先の反動も同じ大きさ
同じ重さになる物の質量(力を g で割る)
筒先の手前に要る圧力(速さの分を圧力で払う。損失なし)
よくある勘違い
「反動は、圧力 × 口の面積」
筒先の手前の圧力に、口の面積をかけただけでは、反動の半分しか出ません。
| 考え方 | 毎分 550 L・22.2 mm |
|---|---|
| 毎秒の質量 × 速さ(= 2 × 圧力 × 口の面積) | 9.15 kg/s × 23.7 m/s = 217 N |
圧力 × 口の面積は、口を栓でふさいだとき、栓が押される力です。水が流れ出すと、止まっていた水を毎秒 23.7 m/s まで速くして押し出す分が加わり、反動はちょうどその2倍になります。
「力は、水の勢い(速さ)だけで決まる」
速さだけでは決まりません。同じ 23.7 m/s でも、毎秒の量が半分なら、力も半分です。力は「量 × 速さ」です。
「指でホースの先をつぶすと、水が増えるので強く当たる」
蛇口を同じだけ開けているなら、出る水の量は、ほとんど同じです。つぶすと速さが増え、その分だけ強く当たります。量が同じで速さが4倍なら、力も4倍です。
この公式が使える条件
- 流れが時間で変わらない(定常の流れ)
- 板は止まっていて、噴流は板に直角に当たり、前向きの速さを全部失って横へそれる
- 噴流の速さは、口から板まで変わらない(空気の抵抗と重力の影響が小さい、近い距離)
- 筒先の反動は、噴流の分だけで考える。ホースの中の水の速さや、ホースの曲がりが生む力は入れない(実際に隊員が受ける力は、ホースの形でも変わる)
- 筒先の手前の圧力の式は、損失のないとき
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
運動量の変わり方から:短い時間 の間に、筒先を出る水の質量は です。この水は、筒先の中で、速さ 0(ゆっくり流れるホースの中)から まで速くされます。
物の運動量(質量 × 速さ)を変えるには、力 × 時間が要ります。 です。
筒先が水を前へ押す力が なので、水は筒先を同じ大きさで後ろへ押します(作用と反作用)。
板の側も同じです。板に着いた水 は、前向きの速さ を失います。前向きの運動量が だけ減るので、板は水を後ろ向きに で押し、水は板を前向きに で押します。
速さの変わり方が違うとき:水が速さ で来て、前向きの速さ で去るなら、
横へそらす平らな板は 、真後ろへ折り返すおわん形は で、力は2倍の です。
圧力で書くと:筒先の手前の圧力 は、損失がなければ です。 と合わせて、
例題
例題1 建物の中の消火栓
建物の中の消火栓(屋内消火栓の1号)は、ノズルの圧力が 0.17 MPa 以上、放水量が毎分 130 L 以上と決められています。ちょうど 0.17 MPa・毎分 130 L で出しているとします。ノズルの中の損失と、ホースの中の水の速さは考えません。
(1) 噴流の速さはいくらですか。(2) 筒先の反動は何 N ですか。何 kg の物の重さと同じですか。
ヒント 1 / 2
筒先の手前の圧力は、そっくり速さの分に両替されます。 を v について解きます。
ヒント 2 / 2
力は「毎秒の質量 × 速さ」です。毎分 130 L は、毎秒 です。
答えと解き方を見る
筒先の口の面積
噴流の速さ(毎秒の体積を、口の面積で割る)
毎秒ぶつかる水の質量
板を押す力(毎秒の質量 × 失った速さ)。筒先の反動も同じ大きさ
同じ重さになる物の質量(力を g で割る)
筒先の手前に要る圧力(速さの分を圧力で払う。損失なし)
口径は、流量と速さから 12.2 mm くらいと分かります。
消防隊の筒先(毎分 550 L で 217 N)の、約5分の1の反動です。
例題2 ホースの水を手に当てる
内径 15 mm の庭のホースから、毎分 12 L の水を出し、手のひらに直角に当てます。水は手に当たって、横へそれます。
(1) そのまま出したとき、手が受ける力は何 N ですか。(2) 出口を指でつぶして、水の通る面積を4分の1にすると、手が受ける力は何 N になりますか。
ヒント 1 / 2
まず速さを出します。、断面積は です。
ヒント 2 / 2
面積を4分の1にすると、同じ量の水が4倍の速さで出ます。
答えと解き方を見る
出す水の量は同じで、速さが4倍なので、力も4倍です。0.904 N は、約 92 g の物の重さです。
指でつぶすと手に強く当たるのは、水の量が増えたからではなく、速さが増えたからです。
例題3 噴流を折り返す羽根
毎分 60 L の水が、20 m/s の噴流になって出ています。損失は考えず、羽根や板は動かないとします。
(1) 平らな板に直角に当てて、水を横へそらすとき、板を押す力は何 N ですか。(2) おわん形の羽根に当てて、水を真後ろへ 20 m/s で折り返すとき、羽根を押す力は何 N ですか。
ヒント 1
前向きを+とすると、折り返した水の速さは −20 m/s です。速さの変わり方は、何 m/s ですか。
答えと解き方を見る
力は「毎秒の質量 × 速さの変わり方」です。平らな板では、前向きの速さ 20 m/s が 0 になります。おわん形では、+20 m/s が −20 m/s になり、変わり方が2倍の 40 m/s です。
ペルトン水車は、おわん形の羽根で噴流を折り返して、この大きな力で羽根車を回します。