チェーン噴水
チェーンファウンテンプロセスのスナップショット

チェーンファウンテン現象は、自己サイフォンビーズ、モールド効果、ニュートンビーズとも呼ばれ、壺の中に入れた鎖で観察される物理現象です。鎖の一端を壺から引き出し、重力の影響下で落下させます。このプロセスにより、目に見えないサイフォンによって壺から吸い上げられているかのように、鎖の自立的な流れが確立され、縁を越えて上昇し、その下の床または地面に落ちます。小さな隣接するビーズが付いた鎖の場合、弧は顕著な隙間を空けて壺の縁を超えて空中に上昇することがあります。この隙間は、鎖が遠くに落ちるほど大きくなります。[ 1 ]

自己サイフォン効果は非ニュートン流体でも観察されます。

歴史

自己サイフォン現象は以前から知られており、過去に何度も議論の的となってきました。サイエンス・エンターテイナーのスティーブ・スパングラーは2009年にテレビでこの現象をビーズと粘弾性液体の両方を用いて紹介しました。[ 2 ] [ 3 ]この現象は、古くからニュートンビーズとして知られています。[ 4 ]

この効果は、長いボールチェーンを使用した場合に最も顕著になります。チェーンが入った瓶を地面から高く設置すればするほど、「サイフォン」段階においてチェーンは瓶からより高く上昇します。実験で実証されたように、瓶を地面から30メートル（98フィート）の高さに設置し、チェーンが十分に長い場合、チェーン噴水の弧は瓶から約2.1メートル（6フィート11インチ）の高さまで到達します。[ 5 ]

2011年、上昇連鎖現象は2012年国際若手物理学者トーナメント（IYPT）の未解決問題[ a ]として発表された。[ 6 ] [ 4 ]

2013年、科学プレゼンターのスティーブ・モールドは、連鎖問題を広く世間の注目を集めました。[ 7 ] YouTube動画[ 8 ]で、彼は自己サイフォン上昇ビーズの現象を実演し、その後、BBC番組で彼が提案した説明を発表しました。[ 9 ]この宣伝は、ケンブリッジ大学の学者ジョン・ビギンズとマーク・ワーナーの注目を集めました。[ 10 ] [ 11 ]

2014年、ビギンズとワーナーは、この問題に関する調査結果を王立協会紀要に発表し、彼らが「チェーン・ファウンテン」または「モールド効果」と呼んだ。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 7 ]

説明

チェーン噴水のダイナミクスを示すスローモーションビデオ。

この現象をエネルギーや運動量などの運動物理学の概念に基づいて最もよく説明する方法については、様々な説明が提案されている。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

ビギンズとワーナーは、上向きの力の起源はチェーンリンクの剛性と各チェーンジョイントの曲げ制限に関連していると示唆している。[ 7 ] [ 12 ]

さらに、鎖のビーズは瓶の中で他の固定されたリンクを横方向に引きずられるため、動いている鎖のビーズは固定されたリンクにぶつかると垂直方向に跳ね返ったり飛び上がったりすることがあります。この効果は鎖の動きに寄与しますが、主な原因ではありません。[ 12 ] [ 17 ]

非ニュートン流体の場合

自己サイフォン現象は、主にポリエチレングリコールのような長いポリマーで構成される粘弾性流体[ 19 ]でも観察されます。[ 2 ] [ 20 ]

参照

注記

  1. 問題3. ビーズの紐：「ビーカーの中にあるビーズの紐を、十分に長い部分をビーカーの縁まで引っ張ることで、ビーカーから放ちます。重力によって紐の速度が増加します。ある瞬間、紐はビーカーの縁に触れなくなります。この現象を調べ、説明してください。」

参考文献

  1. ^ヤム、フィリップ (2013年7月3日). 「重力に逆らう、自己サイフォン効果を持つ金属ビーズの解説 [ビデオ]」 .サイエンティフィック・アメリカン.
  2. ^ a bアーニー、ヘレン、モールド、スティーブ (2017年10月5日). 「部屋の中の要素：目の前に迫る科学的な事実」オクトパス. ISBN 978-1-78840-004-6。
  3. ^ Sick Science (2009-07-29), Newton's Beads - Cool Science Experiment 、 2021-07-24閲覧
  4. ^ a b Martchenko, Ilya; Malinowski, Maciej; Oszmaniec, Michał (2011-10-09). 「2012年若手物理学者トーナメントへの準備」(PDF) .国際若手物理学者トーナメント.
  5. ^第1期-刘谦郎朗被吊起「命悬一杯」撒贝宁对大炮求虐【加油！方向未来20160703】（中国語）。
  6. ^ 「問題」。IYPTアーカイブ。2018年3月1日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
  7. ^ a b cギブニー、エリザベス (2014年1月15日). 「物理学者が『重力に逆らう』チェーントリックを説明」 . Nature . doi : 10.1038/nature.2014.14523 .
  8. ^スティーブ・モールド (2013年2月20日). 「セルフサイフォンビーズ」 . YouTube .
  9. ^ 「スローモーションで見るビーズチェーンの驚くべき実験」 YouTube。BBC Earth Unplugged。2013年6月27日。
  10. ^ 「連鎖噴水の理解：問題解決のためのパートナーシップ（ビデオ付き）」 Phys.org 2014年1月15日。
  11. ^ウェイド、リジー (2014年1月14日). 「ビデオ：『チェーン・ファウンテン』が重力に逆らう仕組み」 .サイエンス.
  12. ^ a b c Biggins, JS; Warner, M. (2014). 「チェーンファウンテンの理解」 . Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 470 (2163) 20130689. arXiv : 1310.4056 . Bibcode : 2014RSPSA.47030689B . doi : 10.1098/rspa.2013.0689 . S2CID 37699566 . 
  13. ^ Royal Society (2014年1月15日). 「チェーンファウンテンを理解する」 . YouTube . 2021年7月24日閲覧。
  14. ^スティーブ・モールド、「カビ効果」の調査、TEDxNewcastle、https: //www.youtube.com/watch?v=wmFi1xhz9OQ
  15. ^ウィリアム・グッドマン (2013年6月25日). 「自己サイフォンビーズの物理現象を見る」 CBSニュース.
  16. ^ Bhatia, Aatish (2013年7月1日). 「重力に逆らう金属ビーズの鎖の物理学」 . Wired . 2014年1月15日閲覧。
  17. ^ a b Flekkøy, Eirik G.; Moura, Marcel; Måløy, Knut J. (2018). 「空飛ぶ鎖の噴水のメカニズム」 . Frontiers in Physics . 6 84. Bibcode : 2018FrP.....6...84F . doi : 10.3389/fphy.2018.00084 . hdl : 10852/68287 . ISSN 2296-424X . 
  18. ^ Pantaleone, J. (2017-05-16). 「連鎖噴水の定量分析」 . American Journal of Physics . 85 (6): 414– 421. arXiv : 1910.03125 . Bibcode : 2017AmJPh..85..414P . doi : 10.1119/1.4980071 . ISSN 0002-9505 . S2CID 125247401 .  
  19. ^ウィリアム・グレーベル（2001年1月19日）『工学流体力学』CRCプレス、ISBN 978-1-56032-733-2。
  20. ^ 「Gravi-Goo: 自己サイフォンゲル」スティーブ・スパングラー。2024年11月13日閲覧。

参考文献

ウィキメディア コモンズには、セルフサイフォンビーズに関連するメディアがあります。
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