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Dec 05, 2023

新しい流体の流れの法則を明らかにするために、研究者はストローに注目します

2023 年 3 月 23 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 3 月 23 日

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ニューヨーク大学による

研究者チームは、数千年前の技術であるストローの実験を通じて、液体の流れを支配する新しい法則を発見した。 この知識は、医療および工学用途における流体の取り扱いを改善するのに役立つ可能性があります。

ニューヨーク大学クーラント数理科学研究所の准教授で、この研究の著者であるリーフ・リストロフ氏は、「ストローですすることは、パイプやチューブを通る流れの抵抗や摩擦に関するこれまでに知られているすべての法則に反していることがわかった」と説明する。 、Journal of Fluid Mechanicsに掲載されています。 「これが私たちに、あらゆるサイズのパイプの中をあらゆる速度で移動するあらゆるタイプの流体に適用できる新しい法則を探す動機を与えました。」

パイプ、チューブ、ダクトを通る液体と気体の流れは、血流や石油パイプラインなど、自然界や産業のさまざまな状況で発生します。

「パイプの流れの問題は常に流体力学の研究において最も基本的かつ重要なものの 1 つであり、この分野は多くの点でこの問題に対処するために開発されました」と、研究が行われているニューヨーク大学応用数学研究所の所長であるリストロフ氏は説明します。が実施されました。

しかし、リストロフと彼の同僚は、研究の中で、圧力と流量に関する既知の法則はすべて、特定の条件下でのみ正確であることを発見しました。

この結論に達するために、彼らは一連の実験を実施しました。数種類の液体を使用して、さまざまな長さと直径の金属パイプの流量と圧力を測定しました。 目標は、これらの要因がパイプを通過する流れの摩擦抵抗にどのように関係するかを判断することでした。

「私たちのデータは、流れの摩擦に関する有名な古典的な法則が、流れの速度とパイプのサイズの一部の組み合わせに対してのみ正確であることを示しました」と Ristroph 氏は説明します。 「既存の法律がうまく機能しない状況を計画したところ、ストローで飲むという好例が目の前に見つかりました。」

ストローは、5,500 年前の初期メソポタミア文明、シュメールにまで遡って使用されていたと考えられています。 しかし、その動作の流体力学はこれまで研究されていませんでした。

研究者らは研究を数種類のストロー（細いコーヒーマドラータイプ、通常のソーダタイプ、幅広のバブルティータイプ）にまで拡大し、飲酒時の典型的な流量に対する摩擦を測定する実験を実施した。

ストローや同様のサイズのパイプに関するデータは、発見者である科学者エヴァンジェリスタ・トリチェリ氏やジャン・レオナール・マリー・ポワズイユ氏などにちなんで名付けられた既知の法則のいずれとも一致しなかった。

研究者らは、それぞれの古典法則が、パイプが非常に短いか非常に長いか、また流れが非常に遅いか非常に速いかのいずれかを前提としているため、破綻していることを発見した。 ストローを含む中間のケースには、パイプの長さに沿って流れがどのように変化するか、滑らかで層流になるか、粗くて乱流になるかなど、複雑な要因が関係します。

このような効果をモデル化することで、チームは単一の数式を導き出すことができ、その予測は、テストされたすべてのパイプとストロー、すべての流体と流速についての実験測定値と一致しました。

「普遍的な公式は、たとえば、循環系の血流を理解してモデル化する場合に非常に役立つ可能性があります」とリストロフ氏は観察します。 「私たちの静脈、動脈、毛細血管は基本的に、さまざまな直径、長さ、流量を持つパイプです。」