なぞの現象

質問

ある噴水の不思議な現象に関する質問です．

通常の噴水では，水塊は斜方投射されて放物線を描きます．
しかし，私が利用している銭湯の噴水は円筒から放射されたあと，落下しつつ確実に手前に戻ってきています．
大げさに言えば，カップの取っ手のような軌跡を描くのです．
明らかに水塊に重力以外の作用が卓越しているためであるのですが，うまく説明できません．

ただし，この噴水方式はある特徴をもっています．
放射する円筒は鉛直方向に立っており，上を向いた口を
円盤で半分蓋をする構造になっているのです．水はその蓋の隙間から円筒の半径方向に噴出方式です．従って噴水は連続的な曲面を構成し，曲面の奥側の空間は大気圧でないかもしれません．

常識通り，「から傘状」の形（円筒軸対象の放物面）を噴水は構成するときもありますが，そうではなくて，「御椀状」の形（取っ手のような軌跡を円筒軸周りに回転させたような形）を構成するときがあるのです．

１）噴水面の奥側が負圧のため，圧力差が生じている．
２）円筒（鉄）と噴水に粘着力（静電気力）が作用している．
の仮説を立てましたが，
１）噴水が着水するときに泡が立っており，大きな負圧になるのだろうか？
２）鉄と噴水にそもそも粘着力はそんなに大きいのだろうか？
という疑問が消えません．

気液混合流体なので，古典力学で説明できるのか，
流体力学（オイラー観測かラグランジェ観測か？）で説明できるのかも気になります．

どなかか興味のある方，一緒に解明していただけませんか？

回答No.9

Zincer · ベストアンサー

>この場合何のエネルギーなのでしょうか？
発生原因の詳しい話は解りませんが、「界面（気液の場合は表面）での異種分子（原子）の接触によるエントロピーの変化」程度しか知りません。
ただ、表面張力の発生原因もこの界面エネルギーによって説明されます。つまり「異種の分子と接触する分子は出来るだけ少ない方が安定」＝「表面積が小さい方が安定」となるわけです。
あるいは、表面張力の発生原因を「端の分子は他の分子からの引力が系の内側にしか働かない」とした場合には、「表面張力に逆らって表面積を大きくする時に必要なエネルギー」と理解しても良いかも知れません。

お礼

ありがとうございます．
なんとなくですが，イメージが持てるようになりました．
仰るように，どうやら表面張力ではないかという気がしてきました．

垂直長さa，水平長さb (a < b)の長方形の口から
水平方向に流出する噴水を観察してみました．
すると落下につれて断面積abは減少するのですが，
横幅bが十分収束するまで水滴に遷移していません．
つまりaは遅く収束し，bは速く収束しています．
ようするに断面積は等方になろうとしているようです．

(円周長さ)×(膜厚さ)に関しても，等方性を高めるために(膜厚さ)よりも(円周長さ)が速く収束していると解釈できます．

断面積の等方性が高い⇔表面積（断面周ながさ）が小さい

は成り立ちそうなので，仰るとおり，おそらく，界面エネルギが小さくなるように断面積の形状が定まっているというのが結論なのでしょうか．

もうしばらく待って見て異論が出ないようだったら締め切ろうと思います．

Zincer様をはじめ，皆様，本当にお礼申し上げます．