空気の流れ＆水の流れ

まずは水槽の準備
寿工芸 レグラスフラット F-300
を選びました。

長さx幅x高さ 19 x 31 x 26 cm

税込み２８００円でした。

アルミチャンネルを斜めに保持する台を設計しましょう。条件は
①角度を自由に変えられること
②水槽中央に正確に安定して保持できること

２つの支持台で保持するこのにした。支持台の間隔を変えることで角度の調整ができる。支持台は人間が加工しようとすると複雑な形に見えるが、3Dプリンターにとっては、フィラメントを単純に積み重ねれば作れる易しい形。
全体.stl
台1.stl
台2.stl
ダウンロードして3Dビューアーなどで開くと、回転しながら色々な方向から見ることができます。台1，台2は3Dプリンターでそのまま加工することができます。

円柱が転がり始める状態を、いつも同じようにするにはどうすればいいでしょう。

スタート地点の円柱の姿勢を保持する部品を作成しましょう。単純な構造です。

スタートライン1.stl
スタートライン2.stl

細心の注意を払って、発射台を作り上げました(*^-^*)

円柱の転がり台は、水槽上端のガラスの上に設置します。水面は水平なので、水槽上面が水平である必要があります。長めの水準器があると便利です。１０００円ほどで、380ｍｍの水準器を入手できるようです(*^-^*)

水槽の下に紙などを敷き込んで、水槽上面が水平になるように調整します。

水槽の蓋として、縦横厚み　290×130×3ｍｍのガラス板が付属している。このガラス板を転がり台にしてみよう。

水槽の付属部品のガラス板を転がり台とするセカンドトライ。3Dプリンターのお陰でもう装置が出来上がった。直径4ｍｍ長さ70ｍｍの真鍮の円柱がコロコロと転がって水中に着水、その後水中で回転しながら興味深い軌跡を描く。
回転円柱の軌跡
着水直後の円形の軌跡は飛行機の宙返り、その後のだんだん沈んでいく直線の軌跡は飛行状態と同じ。紙飛行機を力強く投げると、同じような軌跡を描く。

回転円柱が進めば、流れが回転円柱に当たる。このとき流れと垂直方向の力（揚力）が回転円柱に加わる。マグナス効果として知られている。揚力は回転数が大きいほど、進行速度が速いほど大きな力となる。

着水直後、円柱の速度、回転数共に大きいので、強い揚力（進行方向と垂直な力）が働くので、宙返りをしてしまう。水の抵抗で速度が小さくなり、回転速度も段々小さくなって揚力が減る。揚力、円柱に加わる重力と浮力の差、水から受ける抵抗力の３つの力が釣り合って、しばらくの間等速直線運動をする。

私は、円柱が斜めの台を転がり落ちて、回転しながら水中を進む単純な現象が、飛行機の飛行を模擬しているこの実験を気に入っている。セカンドトライでコンパクトな実験装置で再現できたのは幸運だった(*^-^*)

転がり台の上の円柱の運動。円柱が転がり台を離れるときの速度と回転数を、理論的に考えてみましょう。役立つのはエネルギー保存則。発射時に持っている位置エネルギーと、離れるときに持っている運動エネルギーが等しいとすれば求まりそうです。

ここから先は右図でどうぞ(*^-^*)

水中の回転円柱に加わる力を考えましょう。右図をご覧ください。

回転円柱の文献

EXCELを用いて、回転円柱の軌跡をシミュレーションしてみましょう。

EXCELファイル
ダウンロードしてから開いてくださいね(*^-^*)