(57)【要約】【課題】  従来の回転水槽実験装置は、大型で高価であり、気象現象のうち偏西風の蛇行流を１つしか発現できず、他の主な気象現象である偏西風の複数の蛇行流、貿易風や台風の気流、任意の波数を有する蛇行を発現できなかった。【解決手段】  水槽の個数、水槽の直径、水槽に注入する水の温度等を様々に組み合わせ、課題を解決する。例えば、４つの水槽を同心に配置し、２つの熱源の間に挟まれた２つの水槽に進行方向が同一の蛇行流を発現させる。５つの水槽を一部偏心させ、３つの熱源に挟まれた２つの水槽の中に台風の下層と上層の気流を模擬的に発現させる。また希望する波数の蛇行流を発現させることが出来、装置の小型化を図ることが出来るので、これらを観察し、使用することにより、多様な大気の流れの理解に資することができ、また、小型、軽量で操作容易、かつ安価な教材を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径の異なる３〜５個の円筒状の水槽からなり、最外部の実験水槽の直径は３０ｃｍ以下、最内部の直径は１ｃｍ以上で、水槽の高さがそれぞれ２〜１０ｃｍであり、該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかで、膜厚が０．０５〜５ｍｍであり、最外部中心または１〜５ｃｍ偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、この回転軸をモータで駆動可能として、水槽には―２０℃〜７０℃の流体を、水槽の底面から１〜６ｃｍの高さまで注入し、隣接する水槽の間に０〜５０℃の温度差を形成し、１つまたは２つの水槽内の流体の液面上に、大気の流れ及び台風・偏西風・貿易風の流れを模擬でき、また任意の波数を有する蛇行流を発現できることを特徴とする回転水槽実験装置。
【請求項２】
直径の異なる３〜５個の円筒状の水槽からなり、最外部の実験水槽の直径は３０ｃｍ以下、最内部の直径は１ｃｍ以上で、水槽の高さがそれぞれ２〜１０ｃｍであり、該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかで、膜厚が０．０５〜５ｍｍであり、最外部中心または１〜５ｃｍ偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、この回転軸をモータで駆動可能として、水槽には―２０℃〜７０℃の流体を、水槽の底面から１〜６ｃｍの高さまで注入し、隣接する水槽の間に０〜５０℃の温度差を形成し、１つまたは２つの水槽内の流体の液面上に、大気の流れ及び台風・偏西風・貿易風の流れを模擬でき、また任意の波数を有する蛇行流を発現できることを特徴とする回転水槽実験方法。
【請求項３】
水槽の数が３個であって、各水槽は同軸に係合し、最内部の水槽の直径を１〜１５ｃｍ、最内部から１つ目の水槽の直径を４〜２０ｃｍとし、最外部の水槽の直径を最内部から１つ目の水槽の直径よりも１〜４ｃｍ大きくし、最外部の水槽には−１０℃〜＋７０℃の流体を注入し、最内部の水槽には−２０℃〜＋５０℃の流体を注入し、最内部の水槽から１つ目の水槽には、最内部の水槽内の流体温度よりも高く、最外部の水槽内の流体温度よりも低い温度の流体を注入し、各水槽には底面から２〜６ｃｍの高さまで流体を注入し、最外部の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、最内部の水槽から１つ目の水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜２０ＲＰＭの範囲で回転させ、最内部から１つ目の水槽の液面上の可視化物質の蛇行の波数を最内部の水槽の直径に等しい値、または該数値±２の範囲内とする蛇行流を発現させ、あるいは最内部の水槽から１つ目の水槽の直径を最内部の水槽の直径よりも４ｃｍ未満の寸法にして各水槽を係合し、蛇行流を発現させないことを特徴とする回転水槽実験方法。
【請求項４】
水槽の数が４個であって、各水槽は同軸に係合し、最外部の水槽には１０〜７０℃の流体を、最内部の水槽には最外部の水槽に注入した流体の温度より１〜７０℃低い温度の流体をそれぞれ注入し、最外部の水槽と最内部の水槽の間に残りの２つの水槽を挟み、この挟まれた２つの水槽に、最外部の水槽に注入した流体の温度よりも低い温度であり、かつ最内部の水槽に注入した流体の温度よりも高い温度の流体を注入し、各水槽には底面から２〜６ｃｍの高さまで流体を注入し、最外部の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、挟まれた２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、挟まれた２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とする回転水槽実験方法。
【請求項５】
水槽の数が５個であって、最外部から１つ目、２つ目、３つ目、最内部の水槽を同軸に係合し、これらの４つの水槽を最外部の水槽に偏心して配置し、偏心量は駆動部中心より１〜５ｃｍの範囲内とし、最外部及び最内部の水槽には−２０〜５０℃の流体を、最外部から２つ目の水槽には、１０〜７０℃の流体を注入し、最外部の水槽と最外部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を作り、温度勾配を形成し、最内部の水槽と最内部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を作り、しかも上述の温度勾配とは逆方向の温度勾配を形成し、最外部から１つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から３つ目の水槽には、最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、最外部から１つ目及び３つ目の２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とする回転水槽実験方法。
【請求項６】
水槽の数が５個であって、各水槽は同軸に係合する方法を有し、最外部及び最内部の水槽には−２０〜５０℃の流体を、最外部から２つ目の水槽には、１０〜７０℃の流体を注入し、最外部の水槽と最外部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を作り、温度勾配を形成し、最内部の水槽と最内部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を作り、しかも上述の温度勾配とは逆方向の温度勾配を形成し最外部から１つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から３つ目の水槽には、最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、最外部から１つ目及び３つ目の２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とする回転水槽実験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、学校教育における理科教材に関する。特に、地球大気の流れの実験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転水槽実験は、大気の運動を理解する研究目的の装置である（例えば、特許文献１参照。）。また、デモンストレーションを目的とした装置もある（例えば、非特許文献１参照。）。以下、本願においては、これらの目的の装置を「従来の回転水槽実験装置」と呼称する。
【０００３】
以下、図１１により、従来の回転水槽実験装置を説明する。従来の回転水槽実験装置は、水槽部１１１と駆動部１１２とに分けて構成され、水槽部１１１は、３つの異なる直径を有する円筒にて同軸に構成され、「３重水槽」と呼ばれ、以下の方法で実験が行われている。
【０００４】
水槽１１６に３０℃程度の水を高温側の熱源とし、水槽１１４に１０℃程度の水を低温側の熱源とし、その中間の水槽１１５には現象を発現するための水槽として２０℃程度の水を注入し、水槽１１５の内側と外側との温度差を２０℃程度とし、水槽１１５に注入した水の上にアルミ粉末を散布し、モータ１１３を始動し、水槽部１１１に回転を与える。すると、水槽１１５の水面に蛇行現象が発現し、浮遊するアルミ粉末が流れを可視化するため、蛇行する様子が観察される。このアルミ粉末の動きは、図１０に示す地球を取り巻く大気の５００ｈＰａの気圧高度における運動を模擬したものと考えられている。なお、研究目的の回転水槽実験装置は、上記構成以外に温度制御装置、回転数制御、水温制御装置などの付帯設備１１７に示す専門的かつ精密な装置を具備している。
【０００５】
しかしながら、従来の回転水槽実験装置では、図３に示すような複数の蛇行流を発現することが出来ず、任意の波数を持つ蛇行流の発現も出来ず、また図１０に示すような１０４台風の気流や１０７赤道偏東風や１０２極偏東風の気流を発現できないという問題点があった。また、研究者用の大きな装置を学校の実験室に設置して使用することは、設置面積、投資する費用及び操作技術において学校の生徒には不向きである、という問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１８２６５５号  公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「気象の教え方学び方」  名越利幸  木村龍治  １９９５年  ｐ．１２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の回転水槽実験装置では、図３に示すような複数の蛇行流を発現することが出来ず、任意の波数を持つ蛇行流の発現も出来ず、また図１０に示すような１０４台風の気流や１０７赤道偏東風や１０２極偏東風の気流を発現できないという問題点があった。また、実験装置を自作して形が出来上がっても蛇行現象が発現できないということもよくあった。この原因は、装置に与える様々な条件についてのノウハウを持っていないことが問題となっていた。さらには、研究者用の実験装置は、研究に必要な固有の付帯設備１１７を必要とし、縦、横、高さが２ｍ、１ｍ、１ｍもあり、必然的に多くの設置面積を必要とし、器機類の購入と設置費用が数百万円もかかり、配管などの工事と費用も必要とし、装置総重量が数百ｋｇにもなり、装置を運搬することも、机上で実験することも出来ず、学校教育用実験装置としては不向きである、という問題点があったので、これらを解決することを課題とする。
【０００９】
本発明は従来の回転水槽実験装置が有していた問題点を課題とし、教育現場で教師や生徒が使い易い実験装置と方法を提供することを目的とし、このため下記手段を採る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために。研究者が必要とした付帯設備を省き、装置の寸法として縦横高さを、いずれも３０ｃｍ以内として設計し、費用、設置面積、総重量を激減した。また蛇行現象を発現する、しないの制御を水槽の直径で決めることとした。
このため、用いる円筒形水槽の個数と直径の決定、個々の水槽を熱源とするか、現象を発現するための水槽とするかの選択、水槽に注入する流体の温度と深さの設定、個々の水槽間の流体の温度の差の設定、モータの回転数の設定、現象を可視化する物質の選定と用い方等を条件とし、実験時条件をよく知っておいて準備し実験に入ることを前提とし、条件を適宜に組み合わせ観察対象とする現象を発現させ、合わせて使い易い装置と方法を実現する。以下、蛇行現象を発現させる流体の運動を説明する。水槽１１５の水は、駆動部２からの回転力を受け、駆動部１１２の回転と同じ接線方向の円周運動、いわゆる剛体回転をする。このとき、水槽１１５を挟む水槽１１４と水槽１１６の各々の水温の温度差が存在することにより、水槽１１５の水は半径方向に熱的な力を受けて、水槽１１５の外側から内側にも運動する。その半径方向の運動は、回転力により、見かけの力、即ちコリオリの力も受けて、進行方向の右側に進路を変える。つまり、剛体回転ではなく、駆動部１１２からの回転よりもさらに速い円周運動を始める。流体は渦度を保存しているので、冷水水槽１１５との境界の壁に到達したときに、渦度保存則により今度は外側へ向かう。即ち、このとき、水槽１１５の水は円周方向へ運動しながら、その進行方向の右側へ向かう力コリオリ力を受け、外周へ少しずつ向かう。この運動を繰り返しつつ、外側の水槽１１６との境界の壁に到達すると、先述した温度差により再び内側へ向かう。この繰り返しで、水槽１１５の水面に浮遊させたアルミ粉末は蛇行するような模様を描くようになる。以上は、蛇行流を発現させる論理であるが、実験装置で模擬的にこの蛇行現象を発現させるためには、大気が地表面に存在するための空間を構築すること、流体に回転力を与えること、そして流体に温度差を与えて水槽の半径方向の力を必要とすること。これらの、大地と回転力と半径方向の力の組み合わせで、様々な大気の流れを模擬的に発現させる。地球表面上の空間は複数個の水槽で模擬し、回転力はモータで模擬し、半径方向の力は流体に与える温度差・温度勾配で模擬する。
【００１１】
第１の課題解決手段は、直径の異なる３〜５個の円筒状の水槽からなり、最外部の実験水槽の直径は３０ｃｍ以下、最内部の直径は１ｃｍ以上で、水槽の高さがそれぞれ２〜１０ｃｍであり、該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかで、膜厚が０．０５〜５ｍｍであることが必要であり、最外部中心または１〜５ｃｍ偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、この回転軸をモータで駆動可能として、水槽に注入する流体の粘度は０．００１８〜０．０００２８Ｐａ・ｓ以下が好ましく、温度は―２０℃〜７０℃とし、注入する高さは水槽の底面から１〜６ｃｍまでとし、隣接する２つの水槽の間に０〜５０℃の温度差を形成し、水槽に注入する流体の液面に散布する可視化物質は水面に浮遊可能な物質とし、この物質の平均粒径は３０μｍ以下が好ましく、１つまたは２つの水槽内の流体の液面上に、大気の流れ及び台風・偏西風・貿易風の流れを模擬でき、また地球の緯度に応じた任意の波数を有する蛇行流を発現できる実験装置を提供するものである。
【００１２】
第２の課題解決手段は、直径の異なる３〜５個の円筒状の水槽からなり、最外部の実験水槽の直径は３０ｃｍ以下、最内部の直径は１ｃｍ以上で、水槽の高さがそれぞれ２〜１０ｃｍであり、該水槽は金属・ガラス・樹脂のいずれかで、膜厚が０．０５〜５ｍｍであることが必要であり、最外部中心または１〜５ｃｍ偏心した底部の位置に回転軸受けを設け、この回転軸をモータで駆動可能として、水槽に注入する流体の粘度は０．００１８〜０．０００２８Ｐａ・ｓ以下が好ましく、温度は―２０℃〜７０℃とし、注入する高さは水槽の底面から１〜６ｃｍまでとし、隣接する２つの水槽の間に０〜５０℃の温度差を形成し、水槽に注入する流体の液面に散布する可視化物質は水面に浮遊可能な物質とし、この物質の平均粒径は３０μｍ以下が好ましく、１つまたは２つの水槽内の流体の液面上に、大気の流れ及び台風・偏西風・貿易風の流れを模擬でき、また地球の緯度に応じた任意の波数を有する蛇行流を発現できる実験方法を提供するものである。
【００１３】
第３の課題解決手段を述べる前に、この手段の前提となる実験及び水槽の直径と蛇行流の波数との関係を表現する仕方を説明する。図２に示す３重水槽を使用し実験を行った結果、最も内側の水槽２１の直径と、水槽２２の水面上に発現した蛇行流の波数の間に線形の関係があることを発見した。また、図４に示す４重水槽についても、最も内側の水槽４１と、水槽４２の液面上に発現した蛇行流の波数の間にも線形の関係が見られ、さらに水槽４２と、隣接する水槽４３の水面上に発現した蛇行流の波数の間にも線形の関係が見られた。これらの線形関係につき、図８及び図９の上に描き、説明する。図８は図９のグラフから得たものであり、図９は蛇行流を発現させる水槽の内側部分の直径を２Ａ、蛇行流を発現させる水槽の外側部分の直径を２Ｂとし、それぞれ横軸、縦軸に取り、異なる直径の水槽を組み合わせて実験し、発現した波数を（１）〜（１２）で示し、座標上に置いた。なお、ここで、「内側部分」と「外側部分」という用語を説明する。３重水槽にあっては、水槽２１と水槽２２を考えるが、内側部分の直径とは水槽２１の直径に相当し、外側部分の直径とは水槽２２の直径に相当するものとし、４重水槽にあっては、先ず、水槽４１と水槽４２を考えるが、内側部分の直径とは水槽４１の直径に相当し、外側部分の直径とは水槽４２の直径に相当するものとし、次に、水槽４２と水槽４３についても考え、内側部分の直径とは水槽４２の直径に相当し、外側部分の直径とは水槽４３の直径に相当するものとする。さて、波数１〜１２のグラフ上における相互の位置関係を見るとき、ほぼ線形に配置されることが見て取れる。さらによく見ると、波数Ｎはこれも内側部分の直径に比例することが分かる。そこで、図９の波数を縦軸に、内側部分の直径を横軸にとって、波数と直径の関係を、図８の１本の直線で表した。図８上では線形関係にあるが、図９では値にバラツキがみられる。これは、回転数が大きくなると、あるいは温度差が小さくなると、発現する波数が若干増加する傾向にある。このため、波数＝直径２Ａの値±２、を予測式とし本願に適用する。ただし、適用の前提条件として、装置の回転数は４〜２０ＲＰＭ、水槽２１の直径と水槽２２の直径との差は４〜８ｃｍとし、温度差は５〜４０℃の範囲内とする。
【００１４】
第３の課題解決手段は、水槽の数が３個であって、各水槽は同軸に係合し、最内部の水槽の直径を１〜１５ｃｍ、最内部から１つ目の水槽の直径を５〜２０ｃｍとし、最外部の水槽の直径を最内部から１つ目の水槽の直径よりも１〜４ｃｍ大きくし、最外部の水槽には−１０℃〜＋７０℃の流体を注入し、最内部の水槽には−２０℃〜＋５０℃の流体を注入し、最内部の水槽から１つ目の水槽には、最内部の水槽内の流体温度よりも高く、最外部の水槽内の流体温度よりも低い温度の流体を注入し、各水槽には底面から２〜６ｃｍの高さまで流体を注入し、最外部の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、最内部の水槽から１つ目の水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜２０ＲＰＭの範囲で回転させ、最内部から１つ目の水槽の液面上の可視化物質の蛇行の波数を最内部の水槽の直径に等しい値、または該数値±２の範囲内とする地球の緯度に応じた任意の波数を有する蛇行流を発現する、あるいは最内部から１つ目の水槽の直径を最内部水槽の直径よりも４ｃｍ未満の寸法だけ大きくし蛇行流を発現させない、という効果を現すものである。
【００１５】
第４の課題解決手段は、水槽の数が４個であって、各水槽は同軸に係合し、最外部の水槽には１０〜７０℃の流体を、最内部の水槽には最外部の水槽に注入した流体の温度より１〜７０℃低い温度の流体をそれぞれ注入し、最外部の水槽と最内部の水槽の間に残りの２つの水槽を挟み、この挟まれた２つの水槽に、最外部の水槽に注入した流体の温度よりも低い温度であり、かつ最内部の水槽に注入した流体の温度よりも高い温度の流体を注入し、各水槽には底面から２〜６ｃｍの高さまで流体を注入し、最外部の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、挟まれた２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、挟まれた２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できるものとする。即ち、挟まれた２つの水槽の液面上には、駆動部と同じ方向の流れが蛇行流として形成され、可視化物質が水の流れを可視化し、地球表面上の偏西風の流れを２本同時に、しかも地球の高緯度側と低緯度側の蛇行流の波数の大小の違いとして模擬的に発現する、という効果を現すものである。
【００１６】
第５の課題解決手段は、水槽の数が５個であって、最外部から１つ目、２つ目、３つ目、最内部の水槽を同軸に係合し、これらの４つの水槽を最外部の水槽に偏心して配置し、偏心量は駆動部中心より１〜５ｃｍの範囲内とし、第３の解決手段で述べた蛇行流を発現させない方法と同じ考え方を踏襲し、最外部から１つ目の水槽の直径を最外部から２つ目の水槽の直径よりも４ｃｍ未満の寸法だけ大きくし、さらに最外部から３つ目の水槽の直径を最内部の水槽の直径よりも４ｃｍ未満の寸法だけ大きくし、最外部及び最内部の水槽には−２０〜５０℃の流体を、最外部から２つ目の水槽には、１０〜７０℃の流体を注入し、最外部の水槽と最外部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を形成し、最外部から１つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から３つ目の水槽には、最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、最外部から２つ目の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、最外部から１つ目及び３つ目の２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できることを特徴とするものである。即ち、駆動部と同じ方向の流れと、駆動部と逆方向の流れが形成され、アルミ粉末が水の流れを可視化するので、順方向、逆方向の流れとして見え、太平洋上等に発生する台風の下層と上層の空気の流れを模擬的に発現するという効果を現す。
【００１７】
第６の課題解決手段は、水槽の数が５個であって、各水槽は同軸に係合する方法を有し、第３の解決手段で述べた蛇行流を発現させない方法と同じ考え方を踏襲し、最外部から１つ目の水槽の直径を最外部から２つ目の水槽の直径よりも４ｃｍ未満の寸法だけ大きくし、最外部及び最内部の水槽には−２０〜５０℃の流体を、最外部から２つ目の水槽には、１０〜７０℃の流体を注入し、最外部の水槽と最外部から２つ目の水槽の間に１〜５０℃の温度差を形成し、最外部から１つ目の水槽には、最外部の水槽に注入する流体の温度と最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を、最外部から３つ目の水槽には、最外部から２つ目の水槽に注入する流体の温度と最内部の水槽に注入する流体の温度との中間の温度の流体を注入し、最外部から２つ目の水槽と最内部の水槽との間に１〜５０℃の温度差を形成し、最外部から１つ目及び３つ目の２つの水槽の液面上に可視化物質を散布し浮遊させ、モータを駆動し、水槽を１〜３０ＲＰＭの範囲で回転させ、２つの水槽の液面上の可視化物質の分布状況を観察し、地球大気の流れを模擬できるものである。即ち、水槽７２の水面上には、駆動部と同じ方向の流れが形成され、水槽７４の水面上には、順方向、逆方向の流れとして見え、熱帯赤道の近くに発生する貿易風の流れを模擬的に発現するという効果を現す。
【発明の効果】
【００１８】
異なる直径の水槽を組み合わせて、任意の波数を有する蛇行流を発現でき、また蛇行流を発現させなくでき、特に装置を小さくしたい場合は波数を出来るだけ小さくしても蛇行流を発現させることが出来るので装置の小型化が図れ、従って装置の重量も軽減でき、運搬することも容易になる。さらには、小さい直径の水槽の場合は、熱の伝達も迅速化されるので、蛇行現象の発現も比較的早く、学校などでの６０分〜９０分などの限られた授業時間内で実験を準備〜現象発現〜終了〜片付けまでの、実験を実施完結できる。装置が小型であることにより、生徒が自分の手で回転数、温度等の実験条件の設定が容易にできるので、装置に与える物理的条件と、装置上に発現する現象との間の関連が目前で、すべてを視野に入れて視認でき、したがって明瞭に理解でき、かつ体感でき、教育効果が大きい。また水槽の個数を増加し、与える熱の方向を変えることにより、地球を取り巻く大気の流れのうち偏西風蛇行を複数本同時に模擬的に再現できる、また水槽を偏心させて構成し、台風の上層と下層の気流を模擬的に発現出来、熱の与え方を変えることにより貿易風を模擬的に再現できる。これらの現象を小型の装置として学校の理科室の実験台の上で、専門家が使うような大掛かりな装置・設備・工事を不要として、実験し観察でき、地球科学の理解に資することが出来る。そして、子供たちには興味を持つ機会を与えることが出来、理科学に興味を持たせることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態例を示す回転水槽実験装置の全体概念図
【図２】３重の水槽で、蛇行流の波数を求めるために使用した回転水槽図
【図３】気象庁の高層天気図（北極の上空から地球を見下ろした時の地球大気の蛇行の様子である。１９９９年２月２６日、日本時間午後０９時）を引用改変した。
【図４】４重の水槽で、２本の蛇行流を発現する図
【図５】台風の上層と下層の気流を示す概念図
【図６】５重の水槽で、水槽を偏心させて、台風の上層と下層の気流を発現する図
【図７】５重の水槽で、台風の貿易風の気流を発現する図
【図８】３重の水槽（波数予測の計算線図）
【図９】３重水槽波数プロット図
【図１０】地球表面における大気の流れの概念図
【図１１】３重の水槽（従来の回転水槽実験装置の概念図及び付帯設備）
【図１２】４重の水槽（２つの蛇行流を発現。水槽の直径に対応し波数が異なる）
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０及び図１２に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２１】
地球の緯度に応じた任意の波数を有する蛇行流を発現させる方法である。蛇行流を発生させた実験の一部を表１、表２に記載する。ただし、意図的に蛇行流を発現させたくない場合は、即ち波数を０としたい場合は、回転数を極端に小さくしたり、水槽間の流体の温度勾配を形成させたりしない方法などがあるが、本発明においては現象を発現させる水槽の幅を２ｃｍ未満に設定する方法を用いることとした。さて、任意の波数を持つ蛇行流を発現する手段につき、図２、図８、図９、図１２で説明する。３個の水槽、水槽２１、水槽２２、水槽２３の材質はそれぞれ、アルミニウム、鉄、鉄とし、直径をそれぞれ４．４ｃｍ、１１．４ｃｍ、１７．８ｃｍとし、各水槽を同軸に係合し、流体としては水道水を用い、水槽２３には３５℃の水を、水槽２１には５℃の水を、水槽２２には１５℃の水を、それぞれ水槽の底面から２．５ｃｍの高さまで注入し、水槽２３と水槽２１との間に３０℃の温度差・温度勾配を形成し、水槽２２の水面上に、現象の可視化物質としてアルミニウムの粉末を均一に散布し浮遊させ、水槽部を１０ＲＰＭの回転速度で回転させ、水槽２２の水面上に波数５〜６を有するに蛇行流を発現した。自然現象としての地球の緯度に応じた偏西風蛇行に含まれる波数の増減を、水槽の直径２１を増減することにより蛇行流に含まれる波数を増減できるので、水槽内に模擬的に再現出来、また水槽２１の直径を小さくすれば、水槽２２、水槽２３もそれらの直径を小さくできるので、装置全体の寸法を小さくでき、操作性の向上、持ち運びの容易性が期待できる。なお、波数の大きい現象を発現させたい場合は、水槽２１の直径２Ａを１０〜１２ｃｍと大きくすることにより、図８、図９に示すが波数１２までの蛇行流を実現できた。ただし、回転数や温度差如何によっては波数が±２程度増減する。図１２の２つの写真で、水槽の直径と蛇行流中の波数の大小を比較出来る。即ち、左の写真の１２１の蛇行流は、最内部の水槽から一つ目の水槽の直径が１１．４ｃｍであって、波数は１１であることが分かる。１２２の蛇行流は、最内部の水槽の直径が４．４ｃｍであって、波数は４であることが分かる。また右の写真の１２３の蛇行流は、最内部の水槽から一つ目の水槽の直径が６．４ｃｍであって、波数は７であることが分かる。１２４の蛇行流は、最内部の水槽の直径が２．０ｃｍであって、波数は３であることが分かる。このように水槽の直径に対応して、波数が対応していることが分かる。厳密な対応関係ではないが、上述したが、±２程度の誤差の範囲に入ることが分かる。なお、図８は、この写真で示すような実験を多数実施して、図８符号８２の直径２Ａに対応する８３波数Ｎを、グラフ８１として得たものである。表１、表２。表３に、蛇行流の波数Ｎを実現したときの条件、水槽の直径、蛇行流を発現させる水槽における幅、蛇行流を発現させる水槽の内側と外側に与える温度の差等を表にして示す。ただし、３重水槽にあっては、直径２Ａ、直径２Ｂの列に用いた水槽の直径の寸法を記載し、２Ａは最も内側の水槽の直径であり、単位はｃｍで表し、２Ｂは蛇行現象を発現させる水槽の直径をｃｍで表す。４重水槽にあっては、直径２Ａ、直径２Ｂの列に用いた水槽の直径の寸法を記載し��２Ａは最も内側の水槽の直径であり、単位はｃｍで表し、２Ｂは最も内側から１つ目の水槽に蛇行現象を発現させる水槽とし、その直径をｃｍで表す。さらに４重水槽の最も内側の水槽から２つ目の水槽の直径を２Ｃの列に記載する。幅ＡＢは最も内側の水槽と内側から１つめの水槽との半径方向の寸法、即ち幅を表し、幅ＢＣは最も内側から１つ目の水槽と内側から２つ目の水槽との半径方向の寸法、即ち幅を表す。温度差は蛇行現象を発現させる水槽の内側と外側に与える水温の差であり、１５〜２５℃とし、温度勾配を形成した。水槽に与える回転数はことわらない限り１０rpmとした。水槽に注入した水の高さは水槽の底面から２．５ｃｍとした。実験結果を表１、表２に示す。これらの表を見るために、注釈を表３に示す。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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この表の水槽の直径を、水槽の内側部分を横軸、外側部分を縦軸にして図９上に波数Ｎをプロットした。そして、図９から、波数と内側部分の直径との線形関係を見出し、１本の直線として、線形関係を図８に示した。ただし、蛇行現象を発現する必要がない実験の場合は、これらの表の値に拘わらず、現象を発現させる水槽の幅ＡＢ、幅ＢＣを決めるために、水槽の直径を決めるとよい。この場合、幅の寸法としては２ｃｍ以下の寸法が好ましい。
【実施例２】
【００２２】
４重水槽で、北半球における２本の蛇行流を同時に模擬的に発現させた。蛇行流にならないよう、水槽の直径を決める必要があった。図３、図４、図１０、図１２で説明する。図３は高層天気図の気圧高度５００ｈＰａにおける等高線を描いたものである。３１は高度５５８０ｍを、３２は高度５４００ｍを、３３は高度５２２０ｍを、３４は高度５１６０ｍを表し、これらの等高線には挟まれた部分を蛇行流とみなすこととするとき、この挟まれた部分を実験水槽で模擬的に蛇行流として発現させた。即ち、水槽４１、水槽４２、水槽４３、水槽４４の直径をそれぞれ、４．４ｃｍ、１１．４ｃｍ、１７．６ｃｍ、２１ｃｍとし、水槽４４を、駆動部の回転中心に同軸にして係合し、水槽４３を水槽４４に同軸にして内設し、水槽４２を水槽４３に同軸にして内設し、水槽４１を、水槽４２と同軸にして内設する構成とした。水槽４４に３５℃の水を、水槽４１に５℃の水を、水槽４２と水槽４３に２０℃の水を注入し、水槽４１、水槽４２の水面上にアルミニウム粉を散布し、水槽部を回転した。水槽４２、水槽４３の水面上に左回りの蛇行流４５及び蛇行流４６が発現した。これらの流れは、図１０に示すように、中緯度高圧帯における偏西風の流れ１０３（南半球では１０７）を、図３の３５、３６に示すように複数本模擬したものと考えられる。図１２は本実施例において２つの蛇行流を発現した様子を２種の写真で示す。隣接した２つの水槽内にそれぞれ蛇行流が発現していることが分かり、また実施例１で見たように水槽の大小に応じて、蛇行流中の波数も対応して変わることが分かる。
【実施例３】
【００２３】
５重水槽で、台風の左回りの下層の気流と、右回りの上層の気流とを同時に模擬的に発現させた。発現させる気流は、蛇行流とならないよう、水槽の直径を決める必要があった。
図５、図６で説明する。一つの台風は台風の上層５１と、下層５２で、大気の流れが逆転している。下層では台風のまわりの大気が台風の中心に向かって吹込み北半球ではコリオリ力により右へ曲げられ、回転軸を中心として左回りの気流となり、上層では、台風の中心を上昇した大気が上層で、中心から外周に向かって吹き出し、コリオリ力によって回転軸を中心として右回りの気流となる。即ち台風は、地軸を中心として周回せず、例えば太平洋上を決められた方向を持つことなく、地軸ではなく、自分自身の軸の周りに回転しながら移動する。この異なる軸での回転と、上層と下層での大気の流れ方向が逆転している状態を、回転軸を偏心させて配置し、５重の水槽で模擬的に実現した。即ち、水槽６１、水槽６２、水槽６３、水槽６４、水槽６５の直径をそれぞれ、４.４ｃｍ、８.２ｃｍ、１１.４ｃｍ、１5ｃｍ、１７.８ｃｍとし、水槽６５を、駆動部の回転中心に同軸にして係合し、水槽６４を水槽６５に偏心して内設し、水槽６３を水槽６４に同軸にして内設し、水槽６２を水槽６３に同軸にして内設し、水槽６１を水槽６２に同軸にして内設する構成とする。水槽６１に５℃の水を、水槽６３に３５℃の水を、水槽６５に５℃の水を注入し、水槽６２には２０℃の水を注入し、水槽６４にも２０℃の水を注入し、水槽６２、水槽６４の水面上にアルミニウム粉を散布し、水槽部を回転する。水槽６２の水面上に左まわりの同心円状の流れ６６が、水槽６４の水面上には同心円状の右まわりの流れ６７が発現した。水槽６２は台風の下層５２の、水槽６４は台風の上層５１の大気の流れを模擬したものとなる。
【実施例４】
【００２４】
５重水槽で、左回りの偏西風蛇行気流と、右回りの貿易風の気流とを同時に模擬的に発現させた。発現させる気流として偏西風の方は蛇行させ、貿易風の方は蛇行させないよう、水槽の直径を決める必要があった。図７と図１０で説明する。貿易風は、地球の赤道１０６に沿って地球が回転するのと逆方向の気流７７、１０５である。この気流は高緯度から低緯度へ流れる大気によってコリオリ力により進行方向が右に曲げられ、従って右回転となる。この状態を左回りである偏西風の蛇行現象とともに、対比しつつ観察できるよう、模擬的に発現することとする。即ち、水槽７１、水槽７２、水槽７３、水槽７４、水槽７５の直径をそれぞれ、４.４ｃｍ、９．８ｃｍ、１３．８ｃｍ、１７・８ｃｍ、２１ｃｍとし、水槽７５を、駆動部の回転中心に同軸に係合し、水槽７４を水槽７５に同軸に内設し、水槽７３を水槽７４に同軸に内設し、水槽７２を水槽７３に同軸に内設し、水槽７１を水槽７２に同軸に内設する構成とした。水槽７１に５℃の水を、水槽７３に３５℃の水を、水槽７５に５℃の水を注入し、水槽７２には２０℃の水を注入し、水槽７４にも２０℃の水を注入し、水槽７２、水槽７４の水面上にアルミニウム粉を散布し、水槽部を回転した。水槽７２の水面上に左まわりの蛇行流の流れ７６が、水槽７４の水面上には同心円状の右まわりの流れ７７が発現した。水槽７２には中緯度高圧帯の偏西風の蛇行流を、水槽７４には熱帯の貿易風の流れを模擬したものとなる。また、この５個の水槽を使って、温度勾配の方向を変えることにより、南北の流れの方向を変えることが出来るので、寒帯における極偏東風を発現させ、同時に極偏東風とは逆方向の偏西風蛇行現象を発現できる。
【符号の説明】
【００２５】
１  水槽部１（水槽部という表現は水槽の個数に拘わらず使うものとする）
２  駆動部２（駆動部という表現は水槽の個数に拘わらず使うものとする）
３  モータ３（モータという表現は水槽の個数に拘わらず使うものとする）
４  モータの回転軸４
５  水槽５（最内部の水槽）
６  水槽６（最内部から１つ目の水槽）
７  水槽７（最内部から２つ目の水槽）
８  水槽８（最内部から３つ目の水槽）
９  水槽９（最外部の水槽）
２１  水槽２１（最内側の水槽、冷熱源、３重水槽）
２２  水槽２２（最内側から一つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる）
２３  水槽２３（最外側の水槽、温熱源）
２４  回転方向２４（水槽液面上及び地球上での蛇行流の回転方向、左回り）
２５  回転方向２５（水槽及び地球の回転方向、左回り）
３１  等高度線３１（気圧高度５００ｈＰａにおけるジオポテンシャル高度５５８０ｍ）３２  等高度線３２（気圧高度５００ｈＰａにおけるジオポテンシャル高度５４００ｍ）３３  等高度線３３（気圧高度５００ｈＰａにおけるジオポテンシャル高度５２２０ｍ）３４  等高度線３４（気圧高度５００ｈＰａにおけるジオポテンシャル高度５１６０ｍ）３５  回転方向３５（北半球での高緯度の蛇行流、左回り）
３６  回転方向３６（北半球での低緯度の蛇行流、左回り）
３７  回転方向３７（地球の回転方向、左回り）
４１  水槽４１（最内部の水槽、冷熱源、４重水槽、２つの蛇行流）
４２  水槽４２（最内部から１つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる。
水槽４３の冷熱源となる）
４３  水槽４３（最内部から２つ目の水槽、ここに蛇行現象を発現させる。
水槽４２の温熱源となる）
４４  水槽４４（最外部の水槽、温熱源）
４５  回転方向４５（蛇行流、左回りであることを示す）
４６  回転方向４６（蛇行流、左回りであることを示す）
４７  回転方向４７（水槽及び地球の回転方向、左まわり）
５１  下層の気流５１（北半球における台風の上層の気流、右回り）
５２  下層の気流５２（北半球における台風の下層の気流、左回り）
５３  回転方向５３（内側から外側へ吹き出す上層の気流、右回りであることを示す）
５４  回転方向５４（外側から内側へ吹きこむ下層の気流、左回りであることを示す）
６１  水槽６１（最内部の水槽、冷熱源、５重水槽、台風中心を偏心配置）
６２  水槽６２（最内部から１つ目の水槽）
６３  水槽６３（最内部から２つ目の水槽、温熱源）
６４  水槽６４（最内部から４つ目の水槽）
６５  水槽６５（最外部の水槽、冷熱源）
６６  回転方向６６（台風下層の流れの方向、左回りであることを示す）
６７  回転方向６７（台風上層の流れの方向、右回りであることを示す）
６８  回転方向６８（水槽及び地球の回転方向、左回りであることを示す
７１  水槽７１（最内部の水槽、冷熱源、５重水槽、貿易風）
７２  水槽７２（最内部から１つ目の水槽）
７３  水槽７３（最内部から２つ目の水槽、温熱源）
７４  水槽７４（最内部から４つ目の水槽）
７５  水槽７５（最外部の水槽、冷熱源）
７６  回転方向７６（偏西風の流れの方向、左回りであることを示す）
７７  回転方向７７（貿易風の流れの方向、右回りであることを示す）
７８  回転方向７８（水槽及び地球の回転方向、左回りであることを示す）
８１  波数予測図（図９を基として、水槽の直径と波数との関係が線形に表されると推定されるので、一次式で表現可能と考え、作図したものである）
８２  横軸８２（水槽２１の直径を表す。直径２Ａと表記する）
８３  縦軸８３（蛇行流の波数Ｎを表す。直径２Ａの時、グラフの線との交点の縦座標が蛇行流の波数Ｎを表す）
９１  波数の実験結果プロット原図（水槽２１と水槽２２の様々な直径の組み合わせで発現した蛇行流の波数を１〜１２の数字で示す）
９２  横軸９２（水槽２１の直径を２Ａと表記する）
９３  縦軸９３（水槽２２の直径を２Ｂと表記する）
１００  地球の回転軸
１０１  地球の回転方向、左回り
１０２  半球における極偏東風、右回り
１０３  北半球における偏西風、左回り
１０４  北半球における台風、下層、左回り。上層、右回り
１０５  北半球における赤道偏東風、右回り
１０６  地球の赤道
１０７  南半球における赤道偏東風、右回り
１０８  南半球における偏西風、左回り
１０９  南半球における極偏東風、右回り
１１１  水槽部１１１（従来の装置の水槽部）
１１２  駆動部１１２（従来の装置の駆動部）
１１３  モータ１１３
１１４  冷水水槽１１４（従来の装置の最内側の水槽、冷熱源）
１１５  試験水槽１１５（従来の装置で蛇行流を発現させる水槽）  
１１６  温水水槽１１６（従来の装置の最外側の水槽、温熱源）
１１７  付帯設備１１７
１２１  左の写真、４重水槽（２つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る）
１２２  左の写真、４重水槽（２つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る）
１２３  右の写真、４重水槽（２つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る）
１２４  右の写真、４重水槽（２つの蛇行流、水槽直径の大小と波数の対応を見る）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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