流体力学物理理科

カルマン渦とは?身近な事例を交えながら理系学生ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「カルマン渦」について解説していくぞ。

「カルマン渦」は、はく離と呼ばれる現象の一種で、流体力学を学習すると目にする用語だ。「カルマン渦」の理論を用いて説明することができる身近な現象は非常に多い。記事の中でも、実際の事例と結びつけながら、説明していく。ぜひとも、この機会に「カルマン渦」の知識を身につけてくれ。

塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。 

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

カルマン渦に関係する身近な現象とは?

image by PIXTA / 1671883

多くの人が、二重跳びという縄跳びの技に挑戦した経験があると思います。二重跳びをすると、素早く動いているロープからビュンビュンという音がきこえてきますよね。実は、このビュンビュンという音は、カルマン渦に起因するものなのです。他に、台風などで強い風が吹いているときに電線からビュンビュンという音がきこえてくる現象も、同様の説明ができます。

また、カルマン渦は騒音の原因になることもありますよ高速で走行する新幹線のパンタグラフからは、非常に大きな騒音が生じます。パンタグラフとは、新幹線の屋根の上にある部品のことです。さらには、カルマン渦発生の周期と物体の固有振動数が一致してしまい、共振により物体が壊れるといった事例もあります。実際、1940年にアメリカでおきたナローズ橋の崩壊は、この現象が原因でした。

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カルマン渦が原因で建造物が崩壊してしまうとは、恐ろしいな。

カルマン渦について詳しく学ぼう!

流体のはく離

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まずは、流体のはく離という現象について学びましょう。ここでも身近な現象から考えます。水道の蛇口から出てくる水で、ボールを洗うところを想像してみましょう

初めに、水道の蛇口をわずかにひねり、チョロチョロと出てくる少量の水でボールを洗うとどのようになるかを考えてみましょう。このとき、ボールに当たった水は、ボールに沿って流れます。そして、水はボールの下側にまわり込みますよね

一方、水道の蛇口を大きくひねり、勢いよく出てくる水でボールを洗うとどうなるでしょうか。ボールに当たった水は、途中までボールに沿って流れたあと、ボールの表面から離れていきます。つまり、水はボールの下側にまわり込むことができません

このように、流体が物体の表面から離れてしまう現象を、はく離といいます。また、この例からもわかるように、流速が大きくなるとはく離がおこりやすくなるのです。

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はく離は、層流よりも乱流のほうが発生しにくいぞ。

\次のページで「はく離の様子は変化する!」を解説!/

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