流れと熱

流体力学は、空気や水の流れと、それが物に及ぼす力を考える分野です。飛行機の翼、車の形、ポンプや送風機の羽根、血管の中の血液の流れまで対象になります。

ゴルフボールの表面には、ディンプルと呼ばれるくぼみがあります。ペンシルベニア州立大学の解説によると、昔のスコットランドのゴルファーは、意外なことに気づきました。傷だらけの古いボールのほうが、新品のつるつるのボールより遠くへ飛ぶのです。1905 年には、くぼみのあるボールが作られていました。

くぼみがあると、表面近くの空気の流れが細かく乱れ(乱流)、流れがボールの後ろ側まで沿いやすくなります。すると、後ろにできる圧力の低い渦の領域が小さくなり、空気抵抗が減ります。表面をわざとでこぼこにしたほうが遠くへ飛ぶという、直感とは逆の結果になるのです。

流れは目に見えないため、見えるようにする工夫も研究の一部です。1926 年、東京帝国大学の栖原豊太郎は、プロペラのまわりの流れなどを撮るため、1 秒に 2 万コマを撮れる高速度カメラを開発しました。このカメラは 2026 年に機械遺産(第 133 号)に認定されました。

新幹線が高速でトンネルに入ると、中の空気が押し縮められて圧力の波(圧縮波)ができます。この波は音の速さでトンネルを進み、反対側の出口から外へ飛び出します。これをトンネル微気圧波と呼びます。

微気圧波は、出口の近くで破裂するような音を出したり、家の窓や戸をがたつかせたりすることがあります。鉄道総合技術研究所によると、トンネル入口のフード(緩衝工)や、車両の先頭を細く長くして形を工夫するなどの対策が実用化されています。そのうえで、最高時速 320 km の営業運転が実現しています。

先頭を細く長くすると、トンネルに入るときに空気が押し縮められる勢いがゆるやかになり、圧力の波が弱まります。500 系は、日本で初めて時速 300 km で営業運転をした新幹線です。京都鉄道博物館によると、その鋭い先頭は、カワセミのくちばしの形をヒントにしています。

熱力学は、熱と仕事(物を動かすエネルギー)の関係を考える分野です。自動車のエンジンも、火力発電所のタービンも、ジェットエンジンも、燃料を燃やした熱を、回転や推進力に変える機械です。

1824 年、フランスのサディ・カルノーは、熱を仕事に変える効率には、温度だけで決まる上限があることを示しました。上限は「1 − 低い温度 ÷ 高い温度」(温度は絶対温度)です。高温 600℃、低温 27℃ なら約 66% で、どんなに工夫しても、熱の 3 分の 1 以上は仕事にできません。

だから、燃やす温度を上げられる材料や、捨てる熱を再利用するしくみの研究が続いています。機械遺産(第 7 号)の FJR710 は、日本で初めての高バイパス比ターボファンエンジンです。航空宇宙技術研究所(現在の JAXA)と国内のメーカーが開発し、のちの国際共同開発のエンジンにつながりました。