〈第５８回鈴木賞３１

正賞〉「変化球を科学するパート４」流体の可視化
曲がる方向と空気の流れの関係を探る

動機
僕は、４年間、どうしてボールが変化するのか追究してきました。
３年前は、ボールが進むときに空気はどのようになっているのかを調べた結果、ボールが回転して進むときに空気を巻き込んで、空気の渦をつくって進むので、曲がったり、落ちたりするということが分かりました。
一昨年は、後ろにできる渦がどのようにできるか調べました。その結果、ボールを変化させるのは、その渦がボールを前に進むのを邪魔していることが分かりました。また、そのボールを変化させる場合、ボールの後ろにできる渦は、物体が運動する速さに関係があり、その変化球にあったスピー
ドでないと、うまく変化してくれないことが分かりました。
昨年は、環境の変化や、ボールの種類・縫い目で、ボールがどう変化するのか調べました。その結果、気温（水温）が、低いと、渦ができにくいことが分かりました。
今まで、僕の研究してきた空気の流れは、実際肉眼では見えないものです。それを、肉眼で流れをはっきり見ることができれば、何かが分かるかもしれないと思い、今年は、『空気の流れの可視化』をテーマにして、追究したいと思いました。
以前にも、可視化の実験はやりましたが、もっとはっきり・くっきり見えるように工夫して、当初の目的の「変化球のメカニズム」を探っていきたいと思います。
今年の実験では、目に見えない空気の流れや液体の流れを目に見えるようにするための工夫を試みました。そこで、液体の流れ（流体）を目に見える（可視化）ようにするために、① 昨年に引き続き牛乳の入った液体に墨汁で記録する実験。
②

今年初めて試みるアルミニウム粉末を水の上にちりばめて記録する実験。

③

空気の流れを見るために、ドライアイスのけむりが重力で落ちてくることを利用しての可視化実験。

大きく分けて３つの基礎実験としていろいろな条件で実験をして流体にできるカルマン渦のでき方や、どのような場所にできるかなど追究しました。
また、変化球がなぜ曲がるか？ドライアイスの実験を通して見えてきた原因の１つを、解明実験を工夫して、物体が流体の中で曲がる原因についても追究をしました。

２

研究方法

実験１から実験６までの６つの実験を行った。
(1) Ａ 実験１の研究方法
去年は、箱が小さく渦ができたのに、ぶつかって計測できない時があったので、今回は、長い箱も使って、実験しました。また、前回は墨汁を、“垂らして”やっていましたが、とても時間がかかったので、今回は、棒に直接付けて、時間を短縮してやりました。
Ｂ 実験１の準備物

豆腐の容器 ・３０㌢定規×２、木の円柱（直径８㌢、１０㌢、１２㌢）、糸を巻いた木の円柱（ふつうの木の円柱と同じ）、プラスチックの容器（１２㌢×３０㌢）、木の円柱の先にひもを付けたもの（直径８㌢、１０㌢、１２㌢）、墨汁、牛乳、カメラ、三脚（２）Ａ 実験２の研究方法
この実験では、アルミ缶をヤスリで削ってアルミニウム粉末をつくりました。その粉末を、水に浮かせて水の流れを可視化して実験１と同じように木の円柱を使って実験しました。
Ｂ 実験２の準備物
アルミニウム粉末、豆腐の容器、３０㌢定規×２、木の円柱（直径８㌢、１０㌢、１２㌢）、木の円柱の先に糸を巻いたもの（直径８㌢、１０㌢、１２㌢）、墨汁、牛乳、カメラ、三脚（３）Ａ 実験３の研究方法
これまでの実験で、水の流れの可視化はやったけど、空気の流れの可視化は、まだやってないので、この実験３では、ドライアイスを使った＜空気の流れの可視化実験＞をしました。
Ｂ 実験３の準備物
ドライアイス、段ボール、軟球ボール、テニスボール、ゴルフボール、ピンポン球、スーパーボール、洗濯干し台、フック、ふるい、突っ張り棒、黒い画用紙、カメラ、三脚（４）Ａ 実験４の研究方法
ドライアイスの実験で空気はボールの回転する方に、巻き込まれていく時に、空気（圧力）が強いところと、弱いところがでて、空気（圧力）が弱い方に変化していくと推理することができました。それを、証明するために、小さな坂をつくって、そこからいろいろな物を転がして落とした時にどうなるか実験しました。
Ｂ 実験４の準備物
大きい板、メジャー、ボール、紙筒（直径が・２㌢・４㌢・１０㌢）を白黒で一個ずつと、黒だけ１４㌢）（５）Ａ 実験５の実験方法
昨年度の研究の中で、温度の高い水の中と温度が低い水の中では、できるカルマン渦の様子が違うことが分かりました。結果的には、温度が高い水の方が渦ができやすいことが分かりましたが、これは、冬のような気温が低い時など、変化球が曲がりにくいことと関連があると考えました。そこで、その原因が、空気の粘り気（粘性）にあるのではないと考え、粘性が少ない水と、粘性が高いグリセリンで比較をしてみることにしました。この２つの中間としてアルコールも試みてみましたが、可視化で使うアルミ粉が固まってしまい記録をすることができませんでした。
Ｂ 実験５の準備物
実験１で使用した大きめの容器（１２㌢×３０㌢）、木の円柱（なめらな表面の３種類）糸を巻いた円柱（でこぼこ表面３種類）、グリセリン、三脚、カメラ（６）Ａ 実験６の研究方法
実験３では、ドライアイスを使った＜空気の流れの可視化実験＞をしましたが、この実験では、Ｘジャイロに焦点を当てて実験をして、Ｘジャイロが遠くまで飛ぶ理由について、昨年度の研究を課題解決していきたいと思います。

Ｂ 実験６の準備物
ドライアイス、段ボール、Ｘジャイロ、洗濯干し台、フック、ふるい、突っ張り棒、黒い画用紙、カメラ、三脚３

結果
実験１の記録（２）実験２の結果

実験２の記録（３）実験４の結果

実験３の記録

４（１）実験１の結果

考察（１）カルマン渦の直径が少しずつ小さくなり、そして少しずつ大きくなっていることが分かった。また、円柱の直径が大きいほど、渦巻きの大きさが大きいという特徴がある。なめらかな円柱よりもでこぼこの円柱の方が、はっきり、渦の直径が少しずつ大きくなり、そして少しずつ小さくなるという波のようなリズムができていた。さらに、なめらかな円柱の時よりも、渦がはっきり見ることができ、渦の数もかなり多かった。
（２）牛乳墨汁実験よりも、渦がはっきり見え、そのためカルマン渦の数が大変多かった。でこぼこな円柱での牛乳墨汁実験の考察で書いたように、渦の直径が少しずつ大きくなり、そして最大になったところで、少しずつ小さくなるという波のようなリズムが、もっとはっきり現れていた。円柱の直径によるカルマン渦の大きさは、８ｃｍ円柱も、１０ｃｍ円柱も１２ｃｍ円柱もほとんど差がなかった。

(３) なめらかな円柱のアルミ実験よりも、カルマン渦の数が大変多かった。今までの考察で書いたように、渦の直径が少しずつ大きくなり、そして最大になったところで、少しずつ小さくなるという波のようなリズムが、もっとはっきり現れていた。円柱の直径によるカルマン渦の大きさは、８ｃｍ円柱も、１０ｃｍ円柱も１２ｃｍ円柱もほとんど差がなかった。ただ、なめらかな円柱でのアルミ実験よりも、カルマン渦の直径が大きかった。
（４）渦が互い違いにできている。円柱が進む時円柱の後ろに２つくっついている渦があります。そのとき、渦が大きくなっていくと、２つがぶつかるのでそこで渦が小さくなろうとします。しかし、移動していくと渦はまた大きくなっていくので大きさが波のように変化するのだと考えます。この現象が１番はっきりしているのがでこぼこの円柱です。やはり、野球ボールのようにでこぼこがあると、渦ができやすいというのがこの実験をとおして分かりました。
（５）この実験では、ボールに当たる空気がどのように変化していくのかを調べました。
ボールに空気が当たった後離れていく場所を、（剥離点）と言います。その剥離点は、ボールの種類によって違います。例えばゴルフボールと野球ボールで考えると、どちらかというと、ゴルフボールの方が、野球ボールよりも真っ直ぐ飛ぶと思います。その理由としては、いろいろ文献を見て調べた結果、ゴルフボールのでこぼこ（ディンプル）があるために、剥離点が後ろになるということでした。このため、ボールの後ろに大きなカルマン渦ができず、ボールは真っ直ぐ飛んでいくということになります。この実験でゴルフボールの剥離点が遠いことがわかりました。ボールが回転して進む時、ボールは、空気を巻き込んで、その巻き込んだ流体の力により物体の運動が変化していくということが目で見て確認することができました。
（６）落下位置と回転数×重さの関係。薄い紙で作った筒や画用紙で作った筒は、１秒間回転数と重さの積が少なければ、少ないほど、筒が曲がって落下し、内側に曲がることが分かった。紙で作った筒の落下位置と回転数と重さの積の関係とは違い、ボール類は、１秒間の回転数と重さの積が異なっても、落下する位置には何ら関係がないと分かった。
（７）昨年度は、温度の違いによりカルマン渦の数や直径の大きさに違いができるかどうか、調べてみた。液体温度が低い方が、カルマン渦ができにくいことが分かった。本年度行ったなめらかな円柱でのアルミ実験では、カルマン渦がたくさんできた。それと同じ条件で、水の変わりに粘性の強いグリセリンを使って実験をしてみたところ、カルマン渦は１つもできなかった。このことより、粘性が強いと、カルマン渦は発生しにくいことが分かった。
５感想

今回は、流体の＜可視化＞をテーマにやった。微調整や細かい解析があったのでいろいろ試行錯誤してやってきた。特にアルミニウムの実験では、アルミの量の調節が少なすぎると、カルマン渦が見えなくなるし、多すぎると、アルミが固まってカルマン渦ができなくなるので、ちょうど良い量を探し出すのにはどうすればいいのか考えていたら、急にできるようになって、感覚で量を調節できるようになりました。他にも、ドライアイスの実験では、少しでも自分が動くとドライアイスが動いて清流にならならないので、気を付けてやりました。
このように、今回の自由研究は、すごく難しいものだったけれど、これを活かして来年は、坂をもっと大きくして、ボール類の実験を成功させ、どの速さ、どの回転数で、変化するのか調べたい。また、ドライアイスの実験もスーパーボールとピンポン球が、上手く写真に納められなかったので、なんとか工夫して、撮れるようにしたいです。