流体力学物理理科

ポンプってどういう原理?元ポンプ設計者が初心者目線で解説

よぉ、桜木建二だ。ポンプって何のために使うのか?流体を流すためか?川の水はポンプなんて使わなくても流れるではないか?とは言え、川の流れは一方向にしか流れないな。海から山方向に逆流なんて不幸な災害を除き有り得ない。

ポンプを使うと、水にエネルギーに加えて好きな方向、例えば下流→上流側のように本来流れない方向にも流すことが出来る。今回はポンプの設計経験があるR175と初心者目線で解説していくぞ。

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。

R175

ライター/R175

関西のとある理系国立大出身。技術者の経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.ポンプの役割

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何もしなければ流体(液体や気体)はどんな動きをするか?川の源流は基本的に山の中、標高が高い所。そこから標高が低い方に流れ最終的に海に行き着きますね。水をはじめ流体は放っておけば勝手に低い方に流れていくもの。

流体を運びたい時、高いところから低いところなら流路を工夫して流せますが、低所→高所だと重力に逆らうことになり、そうは行きません。ポンプの役割は流体に速度や圧力といったエネルギーを加え本来流れていかない方向にも流れるようにすること。

2.エネルギーと流体の流れ

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なぜ上流から下流に流れるか?それは上流の方が位置エネルギーが大きいから。位置エネルギーは高さに比例、したがって標高が高い上流側の水は高いエネルギーを持つことになります。上流の水は高い位置エネルギーを運動エネルギーに変換して流速が生じ低い方向に向かって行くもの。

位置エネルギーじゃなくても、何かしらエネルギーを与えてやれば流れていきます。例えば、壁が斜面になっている池に石を投げ込み衝撃(エネルギー)を与えると。ばしゃーん。その衝撃で斜面の下→に水が流れていきますね。

水にエネルギーを与えると流れ(流速)を生み出すことが可能。しかし、闇雲にエネルギーを与えてもスムーズに流せません。水を上流に流すために延々とに石をバシャバシャ投げ込むわけにもいきませんね。
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流体はタダで流れてくれるのは高所→低所のみ。あとは何かしらの「エネルギー」を与えてやる必要があるぞ。

3.どうやって流体を動かすか?

闇雲に力を与えても動かず。かといってよいしょよいしょとバケツリレーでもするか?あまり効率的ではなさそうですね。

ポンプの原理のポイントは圧力

ポンプの原理のポイントは圧力

image by Study-Z編集部

流体を移動させる原動力は「圧力差」。圧力が高い方(エネルギー大)から低い方(エネルギー小)に流体が移動する性質があり、風が吹くのもこのため。風を構成する空気も水と同じ「流体」であり、気圧が高い方から低い方に空気が移動することで「が発生しているのです。

水も圧力が高い所と低いところを作ってやれば移動していくもので、ポンプはこの性質を利用しています。
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