EMANの物理学 過去ログ No.6018 〜

 ● 茶殻の渦巻き

  投稿者:lele - 2008/12/02(Tue) 20:02  No.6018 
皿洗いをした後にいつも実験するんですが、、、、
洗い桶の水の中に茶殻を入れて、ぐるぐるかき混ぜるんです。
すると、流れが落ち着くにしたがって、見事なくらい、茶殻が桶の真ん中に集まるのです。
茶殻は、基本的に、微妙な比重で水に沈んでいます。
まるで、銀河系の星ぼしのような、運動が、桶の中に現れているようなのですが、、、これは、一体どういう作用なんでしょうか。。。
(一応、自分なりに仮説は立てているのですが、、、)

ちなみに、中央に集まりかけている茶殻を、(水に手を入れずに)拡散させる方法も有りますよ。

是非一度試してみて、ご意見とか聞かせてください。

  投稿者:EMAN - 2008/12/03(Wed) 13:34  No.6022 
> 見事なくらい、茶殻が桶の真ん中に集まるのです。

 風呂の残り湯を翌日も沸かして入るときや、風呂釜から湯垢が出てきてしまった時なんかに、私はこのテクニックを使ってキレイにしますね。

 妻が「軟水」を作るんだとか言って用意したイオン交換樹脂の粒が風呂の湯の中にこぼれてしまったのを効率よく回収するときにも役に立ちました。

 このサイトの考察がかなり役に立つような気がしました。
http://iruka.la.coocan.jp/science/awa/index.html

  投稿者:TOSHI - 2008/12/03(Wed) 18:05  No.6027 
 どもTOSHIです。

 どうもEMANさんの書かれたサイトは真っ白で見えないのですが,私的な考えでは遠心分離ではないかと思うのですが,こうした卑近な現象についての感覚は人よりずれているので例によってチョンボかも?

 遠心力では重いものは周囲に軽いものは中心にというやつです。遠心力というのも重力と等価な力で空気あるいは水よりも重いものには文字通り遠心力の向きに力が働くけど,空気あるいは水よりも軽いものなら浮力のほうが大きいので反対向きの力が勝るという普通の原理です。
                          TOSHI

  投稿者:hirota - 2008/12/03(Wed) 18:26  No.6028 
1つの遠心力じゃなくて、摩擦で回転が遅くなってる物は遠心力が小さくなってるのがミソですね。(大きさのある物体が浮いてると、物体重心は液体に漬かってる所より中心に近くて遠心力が小さいってのもあるかな?)

  投稿者:lele - 2008/12/03(Wed) 19:38  No.6029 
EMANさん
アドレス教えていただきありがとうございます。
コーヒーに浮かぶ泡が、中央に溜まる理由、、、を説明したページだったのでしょうが、消えてました。同じような問題を疑問に持つ人がいたのですが、もしかすると似て異なる現象かもしれません。

TOSHIさん
確かに、重いものが、外側に、、、の反対で、軽いものなら渦の中央に、、のはずですよね。ブルーバックスのクイズでも、急停車した列車内で、水素の風船は、人の倒れるのとは、反対の方向に動く。。。という答えが載ってました。
しかし、「茶殻は、間違いなく沈んでいるのです!!」

hirotaさん
桶の内側よりも、外側の方が、桶の内面の摩擦で、流速が落ちて、遠心力が小さくなるのが関係してる。。。という推測でしょうか?
確かにそういう作用も有りそうですね。

細かな茶カスも大きな葉っぱも、目で見える範囲、訳隔てなく中央に集まっているようです。でも、細かくする、、というレベルを進めると、分子、のレベルまで行き着きますから、ブラウン運動による粒子の拡散が優先しそうに思います。(つまり、砂糖を水に溶いても、、この運動によって、中央部が甘くなることは無いだろう、、、という意味です。)

つむじ風などで、落ち葉や、砂埃が渦を巻く時、中央にこれらが、集中している光景を記憶していないですか。??
つまり、これも、遠心力の作用に逆らった、何らかの力が作用している(その力のほうが、遠心力より強い)という証拠かもしれません。
私の直感ですが、桶の中の茶殻も、同じ作用を受けている気がします。そして、ダイソンの掃除機も、竜巻の作用を歌っているなら、同じ原理を利用しているような気がします。(これは、予想ですが、、、)

もっとも、このつむじ風や、竜巻との比較は、中央に吸い寄せられた空気が、
空高く吹き飛ばされるという出口がある。。。という点で的を外しているかもしれません。

  投稿者:ASA - 2008/12/03(Wed) 20:28  No.6031 
leleさん

エクマン・パンピングでググって、
"コーヒーカップの泡(1):コーヒーにいれたホイップクリームの泡がなぜ ..."
のキャッシュを表示させるとよいですよ。

また、folomy 理科大好き!(frika) > 会議室:【日常】家庭,生活,身の回りの科学 【14】 渦の中のゴミ でイルカ さんが説明されてます。

  投稿者:EMAN - 2008/12/03(Wed) 20:40  No.6032 
> どうもEMANさんの書かれたサイトは真っ白で見えないのですが

> を説明したページだったのでしょうが、消えてました。

 あれ、お二人ともですか?
 おかしいなぁ、今でも再読み込みして見れますよ。

 おや、IEだとなぜか読めませんね。
  Firefox や Safari なら問題なく読めますよ。

あ、IE6.0 なら読めるわ。

<追記>
 IEの上のメニューから、
 表示→エンコード って項目を「自動選択」に合わせて下さい。
 読めるようになるはずです。

  投稿者:ASA - 2008/12/03(Wed) 22:45  No.6034 
>表示→エンコード って項目を「自動選択」に合わせて下さい。
 ソースを見るとxml version="1.0" encoding="UTF-8"なので、
IE7.0では自動選択ではだめでエンコードをUTF-8に合わせると見れました。


  投稿者:FNBO - 2008/12/03(Wed) 22:57  No.6035 
はじめましてみなさま、EMANさまいつも勉強させて頂いております。書き込みは初めてなのでもし失礼があったらすみません。私は思考実験タイプです。数式を活用しているものはさっぱりわかりませんが茶殻については次のように考えております。桶底に沈んでいない茶殻は周りの回転する水とほとんど同調して運動しておりますが、桶底に沈んだ茶殻はそれとの摩擦によって回転する水の流れにに同調せず、回転する水に衝突する状態になると推測します。しかしそれでもなお流体の速度は回転中心から離れるほど速いのでベルヌーイの〜を考慮するならば茶殻は逆に中心に集まりそうにありません。ここで流体そのものに注目しますと桶の水の攪拌している時は水分子は桶の外側へ移動すると思いますが、攪拌やめて惰性で回転している時は桶の外の側の水分子はどちらかといえば統計的に回転中心側へ戻ろうとすると推測します。言い換えれば水の圧力分布の偏りがなくなってゆく訳です。つまりこの戻りの力とベルヌーイの〜による外側に茶殻が移動しようとする力が拮抗するのではと思います。残された茶殻に対する影響は流体との相対速度の相違による水分子の衝突です。思考実験は憶測にすぎないので結論はださずこの辺にしておきます。

  投稿者:ASA - 2008/12/04(Thu) 08:34  No.6038 
FNBO さん

 雑ですが、単純な考察をしてみました。
 茶殻に注目して、動径方向の運動方程式を記述すると
 r''=l^2/r+P;l:角運動量,P:水圧
 定速回転しているときは、角運動量による力(遠心力と)と水圧はつりあっています。
 減速するときは、角運動量lが減るので(l^2/r)の時間変化も負となります。
 なので、内向きの力が生じると考えます。
 (イメージ的には容器の縁付近にある特定の境界層あたりでバランスしている茶殻が、減速に伴い境界層が縁から離れることに伴って茶殻も中心に移動する)


  投稿者:ASA - 2008/12/04(Thu) 08:49  No.6039 
凡ミス訂正、
l^2/r → l^2/r^3
次元合わせ l;[L^2/T],l^2;[L^4/T^2],r'';[L/T^2]


  投稿者:lele - 2008/12/04(Thu) 09:37  No.6041 
イルカさんのページ、見ることが出来ました。ありがとうございました。
要するに、
@桶内で回転する水は、桶の底や、内周に接触する面で、抵抗により、流速が低下する。
Aつまり底面と内周面は、液体に加わる遠心力が中央部分に比べでて低い。
Bその、遠心力の差により、桶内を縦の断面的に見ると、底の部分では、外周のから内側に水が集まり、中央で上に持ち上がり、再び外周方向に流れる、、という上下の循環が生まれる。
C上記の底部の流れに沿って、茶殻が、寄せ集められる。
ということのように、読めました。確かに納得です。

しかし、昨日の晩も実験したのですが、、、
A 茶殻が真ん中で持ち上がる、、、という現象は、よく見られるのですが、
これが、Bの「再び外周方向に流れる」という流れに沿った茶殻の動きは、全く見出せませんでした。(ただ、見つけられなかっただけかもしれませんが、幾つかの条件で試して、全て確認できませんでした。)
つまり、エコマン流があったとしても、茶殻の収束には、更に異なる作用が働いているかもしれない。と思ってます。
B 煎茶の茶殻の場合、回転停止後、中央への収束の過程で、茶殻の動きを見る限り、流体の角速度は、(上から見て)外周部分と、中央部分の低下が激しく、円筒の半径×0.5〜0.7程度の位置が、最後まで、回っていました。

別記 (本物の)イルカが口から泡を吹き出して作る(バブルリング?)という環状の渦(空気砲と同じ渦)にも、浮遊物を収束させる作用があるかどうかを確かめると、この答えが出そうです。(バブルリングには、竜巻のような出口が無いので、循環流にのって浮遊物が集まることは考えられないと思うから)

FNBOさん
はじめまして、私も思考実験は好きなのですが、実験してみたがる派です。
私も、ベルヌーイの定理を要因として疑っています。

  投稿者:FNBO - 2008/12/04(Thu) 22:02  No.6049 
ASAさんさっそくのご返事たいへんうれしい限りです。理由にもなく結論を述べずすみません。まとめますと桶の水を攪拌中は、ベルヌーイの効果を用いて、水分子は流速の遅い方から速いほうへ移動する。また遠心力の効果でも、水分子は外側へ移動する。よって水分子は外側へ移動する。桶の水が惰性で回っている時はベルヌーイの効果で、水分子を流速の遅い方から速いほうへ移動させる作用と遠心力が減衰し水分子が内側へ戻ろうとする作用が拮抗し、茶殻は、水分子の内側への戻りだけではあまり移動させることができないと考えました。そこで茶殻君の足が桶底に着くとその分水分子の流れを受けます。水分子が外側ほど速く衝突するので茶殻君は中央へ追いやられる。ベルヌーイの効果は、先に述べた理由によりもはや茶殻には働かないでは・・ということです。ちなみに泡などの場合についてはよく知られた別の原理だと思います。