質問: パイプに音速を超えた速度で空気を流す。 高圧縮のコンプレッサーで、出来るだけ高圧空気を作り、完全に直線に作ったパイプに通す・・・・・ ・・・いくら高圧にしても、空気が音速を超えて流れる事はありませんが、なんで超えないんでしょうか?
回答: まだ理解されていないようなので、再びno,3です。 >音速=音の速度って事から、音波が発生しないから音速にならないと解釈しました。ちょっと違う・・・^^; 少し理解に苦しみましたが、音速でも音波は発生しています。 静止している音源からは、音は同心円状に広がりますよね。音速とは、一つの放射線に沿って移動し、その速度が広がる円と同じときが「音速」となります。 厳密に言えば、音源から出た音の周波数は無限となり、その方向に進んでいる音のエネルギーの塊が常に目の前にある状態となります。 つまり、前回も書きましたが、空気の「粗」と「密」の振動が伝わる最大の速度になるわけです。 一つ書き加えると、この空気の粗密の波の伝播速度が、「音速」になるわけですが、じゃあ「超音速」って何?。世の中に実在するわけだし、この原理は?となると、また話は別になります。 「超音速」とは。風洞の場合は前回も書きましたが、空気そのものに運動エネルギーを与えて、空気そのものが超音速で移動しているに過ぎません。 言い方を変えると、あなたが超音速の飛行機に乗っていて、窓を開けたときに機体の外に流れている空気がそれになります。その空気は決して、空気の粗密が伝播しているものではありません。(相対的に考えてください。) それに、ジェットエンジンの噴流が音速を超えていても、エンジン内部では決して音速を超えません。超えていたらエンジンは動きません。 なぜなら、ジェットエンジンは空気を圧縮して燃料と共に爆発させ、その圧力と、それに伴う流れによって燃焼室より後方のタービンを回しています。このときに、空気の粗密の伝播速度を超えるような流れが生じると、エンジンはストール(失速)します。まぁ、プロペラ機が音速を超えられない理由と同じですが。 ではなぜ音速を超える飛行ができるかと言えば、蛇口に繋がった水撒き用のホースを考えてください。蛇口を開けホースの先端から水を出します。 とても遠くの花にまで水が届かないとき、あなたはどうしますか?。ホースの先端を指で潰しますよね。つまり、水の圧力のエネルギーを、出口を狭めることで速度のエネルギーに変えて、水を遠くまで飛ばしているわけです。出口の速度は格段に高速になっています。 超音速飛行もこれと同じ原理で、タービンより後方の「ノズル」の径を変化させることで、音速を超える飛行を可能にする流れを生み出しているのです。 少し前置きが長くなりましたが、質問内容がコンプレッサの空気をパイプに流す場合であるので、何回も書きますが、今回は空気の粗密による伝播になります。 いくらコンプレッサの圧力を、sf並に上げたところで同じです。 ここで、「コンプレッサ」と限定している意味は、放出する空気の圧力は常に一定か、もしくは減少すると言うことですよね。決して上昇することはないと仮定してですよね。 万一上昇すると言う条件が入ると、音速を超える可能性があるからです。なぜなら、パイプの中で自然に膨張して、粗密の伝播により空気が送られているときに、コンプレッサからの圧力が空気へ運動エネルギーを与えてしまう可能性があるからです。 すくなくとも「一定」であれば、どんなに高圧でも空気の移動する速度は、粗密の伝播速度を超えることは決してありません。 web上で動画が有名なところで、「花火工場の爆発」とか、「原爆」または「水爆」などの「爆発」を撮影した動画を見ればわかります。 爆風は衝撃波を先頭に進み、原爆や水爆のような超高圧の発生源があっても、絶対に爆風が先に来て、衝撃波が後からやって来ることはありません。 衝撃波(音速の壁)が見える動画もあり、爆発と同時に広がる、白い球形または半球形の雲のようなものです。 その白い雲のようなものが通り過ぎてから、地面の砂埃などが舞っているのが確認できると思います。 それと補足にありましたが、コンプレッサは、空気に運動エネルギーを与えません。・・・と書くと勘違いされるかも知れませんので、補足します。 ここで言っている「運動エネルギー」とは、空気に対して積極的に移動するためのエネルギーのことです。 「いやいや、空気は移動しているぞ!」と言われると思いますが、あれは「移動しているように見えている」だけであり、実際は、圧縮された空気が、「膨張」しているために、「移動しているように見えている。」だけのことです。 ですから、これだけを見ても、あきらかに「風洞」とはまったく違う現象であることがおわかりいただけると思います・・・が、どうでしょうか?。 空気が移動しているエネルギーは何か。運動エネルギーなのか、粗密の伝播なのか。恐らく皆さんはここを思い違いされているのだと思います。 似ているようですが、まったく別のものです。 何度も書きますが、空気を送る装置が「コンプレッサ」だからです。 どうしても移動している、運動エネルギーを持っていると考えるのであれば、移動している、運動しているエネルギーは、空気が膨張し、周りの圧力と同じになればなくなるわけですよね。密閉された空間であれば、そのなくなったエネルギーは熱に変わるはずですが、温度は上昇するでしょうか?。 いえいえ、逆に下降しますよね。(断熱膨張) 前回も書きましたが、「パイプ」と言う条件があるため、パイプ内の音速は通常より速くなることも書きましたが、パイプの径と、圧縮空気の圧力と流量によっては、パイプの入り口から高圧の空気を送り込んで暫くすると、入り口から衝撃波が出て来る可能性もありますので、仮定での質問だと思いますが、万一実験されるときは注意が必要です。