空気砲（くうきほう）とは、比較的狭い開口部から急激に空気が押し出されるときにドーナツ状の渦輪ができるが、これを人為的に発生させて観察するための装置である。日本では、米村でんじろうが都立高校の教師時代に簡易にできる手法を開発し、学校の授業や科学館のサイエンスショーで理科実験の材料の一つとして扱い、この名前が広まった。身近にある材料で比較的簡単につくることができ、また応用実験を幅広く試すことがるため、学校の自由研究テーマとして扱われることも多い。一方で、空気砲で簡単につくることができる渦輪は、ソリトンの一種で流体力学の研究対象にもなる奥行きを持つものである。
経緯.
日本での広まり.
日本では米村でんじろうが科学技術館などでのサイエンスショーやテレビ番組などで空気砲を披露し広まった。もともと米村が都立高校教師時代に、アメリカへの視察でたまたま見かけた渦輪生成のデモンストレーションに興味をもったのがはじまりであった。日本へ帰国後、試行錯誤の末に、密閉した段ボール箱の一面に穴を空けその中に煙を充填した後、箱の側面を叩くと渦輪を発生、観察できることを見つけた。米村はこれを高校の授業やガリレオ工房で披露した。
渦輪発生のメカニズム.
空気砲で渦輪が発生するのは、空気の持つ粘性によるものである。空気砲の吹き出し口を通過する空気が、空気のもつ粘性により吹き出し口の縁の周囲に引っ張られることで流速が落ちる。他方、吹き出し口の中央を通過する空気は押し出される圧力のまま通過し、吹き出し口周囲の空気との間に流速差が生じる。この流速差は気流を回転させる効果を生み、渦輪を発生させる。空気中での粘性効果は比較的小さいため、気流の回転運動はあまり衰えずに移動していく。発生した渦輪は、ドーナツ状をしており、空気がドーナツの芯に巻き付くように回転しながら並進運動を続ける。
製作方法.
紙箱による空気砲.
また箱に開けた対向面を開き、ビニールシートを貼って、内側からゴムバンドでこのビニールシートを引っ張るタイプの空気砲もある。これは単に箱を叩くよりも威力のある空気砲をつくることができる。
ペットボトルによる空気砲.
ペットボトルの底を切り取り、ゴム風船の口を切り取りこれをペットボトルにかぶせ、ビニールテープ等でまきつけ密閉する。風船部分を引っ張って離すとペットボトルの口から渦輪が発生する。