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流れの速さを測る2(水の流速を測る)

まずは見てみよう!

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どんな実験?

実験手順と種あかし

  • 水の流れの速さを測ってみましょう。用意するのは透明な曲がるストローです。これを90°に曲げると流速計として使えます。このような流速計をピトー管流速計といいます。
  • 次に、プラスチック板で流速を読み取る目盛りを作ります。目盛りの間隔は後に書きます。
  • 水流の中にピトー管を入れ、ストローの先端を流れの上流方向に向け、ストローの長いほうをまっすぐ縦に(鉛直方向に)立てます。そうすると、ストローの先端で流れがせき止められて圧力が上昇し、ストローの中の水面が上がっていきます。
  • 水面の高さが安定したら目盛り板を当てて流速を測ります。目盛り板の下の辺(高さ0の位置)を周囲の水面の高さに合わせます(ストローと目盛り板は接着せずに別々に動かせるようにしておく)。目盛り板で水面の高さを読み取ると、その値が流速になります。
  • この流速計は船の速さの測定にも使えます。ピトー管の先端を船の上から水中に入れて、水流の速さを測れば船の進む速さと同じ値になります(潮流などがなく、周囲の水が静止していると仮定できれば)。
  • 次に、この流速計の目盛り板について説明します。流速は次の式で計算できます。

    それぞれの値は、重力加速度の大きさ=9.8m/s2、水面の上昇高さh (m)です。単位は、kg、m、sで表してください(g、cm、mmは使わない)。
  • 計算するのがたいへんなので、あらかじめ目盛り板を作っておくと便利です。上式から高さと流速の関係を計算すると次の表のようになります。これらの値から目盛り板の目盛りを入れておきます(表の高さをわかりやすくするためにcm単位にしました)。

ピトー管(液体の流速)

流速(m/s)

高さ(cm)

0.0

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

0.5

0.4

0.8

0.5

1.3

0.6

1.8

0.7

2.5

0.8

3.3

0.9

4.1

1.0

5.1

 

流速(m/s)

高さ(cm)

 

 

1.1

6.2

1.2

7.3

1.3

8.6

1.4

10.0

1.5

11.5

1.6

13.1

1.7

14.7

1.8

16.5

1.9

18.4

2.0

20.4

 

流速(m/s)

高さ(cm)

 

 

2.1

22.5

2.2

24.7

2.3

27.0

2.4

29.4

2.5

31.9

2.6

34.5

2.7

37.2

2.8

40.0

2.9

42.9

3.0

45.9

 

【注意】

・流れが速いときや急に流れを当てたときなど中の水が飛び出して、体、衣服や家の中を汚してしまうことがありますので注意してください。また、ピトー管を横に倒したり、さかさまにしたりすると中の水がこぼれますので注意してください。

・流速を測定するときは、流れのじゃまをしないように気をつけてください。たとえば、手や体の一部が測定するところの近くや上流にあると流れを変えてしまい、流速の値が変わってしまいます。
【キーワード】 流速測定、ピトー管
【関連項目】 流れの速さを測る3
【参考】 日本機械学会編「流れのふしぎ」講談社ブルーバックス、P110−113.

更新日:2018.6.1