開けられない缶が底を叩くとなぜ開けられるのでしょうか？

このようなガラス瓶に入った缶詰のフルーツを食べるのが好きですか?昔、物質的な物が豊富ではなかった時代には、このような缶詰食品は子供たちにとって珍しいごちそうでした。今日でも、多くの人々がそれを愛し、缶詰フルーツの味は、一種の一般的な子供時代の思い出と精神的な慰めとなっています。

「缶詰の黄桃はすべての子供に祝福をもたらす」という伝説があります。その味を記憶に残していますか？画像出典：Xiaohongshu 缶詰は美味しいですが、蓋を開けるのは難しく、特に力が弱い子供にとっては、大人に助けを求めるしかありません。大人が開けられない缶に遭遇したとき、たいていは缶を逆さまにして底を軽くたたくと、「ポン」という音とともにキャップが緩むという印象を受けます。

底を軽くたたくと缶が開けやすくなります。画像出典：sohu.com。おいしい缶詰を食べながら、子供の頃、ねじって開けることができない缶が、底を叩くと簡単に開けられるのはなぜだろうと考えたことはありませんか?今日はその秘密を明かしましょう。

01 水の力は侮れない

高速度カメラを使えば、衝突の瞬間に何が起こるかをはっきりと観察できます。ここでは、水を入れたガラス瓶を用意し、瓶の口を叩いて缶を撃つシーンをシミュレートします。

ハイスピードカメラで捉えた打撃の瞬間。画像ソース: インターネットビデオ @ Beyond Slow Motion。素早く叩くと、ボトルは少し下方向に移動します。しかし、物体の慣性により、ボトル内の水は最初はボトルと一緒に下に移動せず、元の位置に留まります。このとき、ボトルの底と水が分離するため、ボトルの底に一時的に真空に近い低圧領域が発生します。すると、上の大気圧の影響を受けて、水は急速に下方に流れ、この低圧領域を満たします。流れの速い水がボトルの底に当たると、瞬間的な減速によって大きな衝撃力が発生し、ボトルの底が割れます。

別の角度から見ると、水がボトルの底に当たる過程がはっきりと見えます。画像ソース: インターネットビデオ @ Beyond Slow Motion

つまり、実際に缶の蓋が開くのは叩く力ではなく、水の流れによるのです。

水は一見穏やかに見えますが、厚いガラスを割るほどの力を発揮します。これは実際には珍しいことではなく、人生の他の場面でもよく見られます。たとえば、水道管の蛇口を急いで閉めると、水道管が激しく揺れたり、鈍い音がしたりすることがあります。

突然バルブを閉じると、パイプはハンマーで叩かれたかのように振動します。画像出典：bilibili@科普记

02 連鎖反応のようなウォーターハンマー効果

缶を叩いたり蛇口を閉めたりしたときのように、急速な水の流れが外部の何らかの原因で突然止まると、水は圧縮性が低く、それ自体で緩衝することができないため、外界に大きな圧力が発生します。この現象をウォーターハンマー効果と呼びます。これは高速道路で前の車が急ブレーキをかけ、後ろの車は反応する時間がなく、追突するしかない状況に似ています。

ウォーターハンマー効果は、急ブレーキによって引き起こされる連鎖反応のようなものです。画像出典：bilibili@科普记

水道管では、バルブを突然閉じると、通常の圧力の数十倍から数百倍の強い圧力が発生し、配管が破裂する可能性があります。これを正圧ウォーターハンマーと呼びます。同時に、衝撃波はパイプライン内を前後に伝播し、パイプラインの激しい振動を引き起こし、バルブやその他のパイプライン装置を損傷し、パイプラインシステム全体を危険にさらします。

バルブを急に開くと、水の流れが解放され、パイプ内の圧力が急激に低下します。外部の大気圧の影響により、パイプが破損する可能性があります。これを負圧ウォーターハンマーと呼びます。つまり、正のウォーターハンマーであれ負のウォーターハンマーであれ、パイプラインの使用中は回避する必要があります。

現在では多くの場所でパイプラインにウォーターハンマーアレスターが接続されています。本体はピストンとエアーチャンバーで構成されています。ウォーターハンマー効果によって引き起こされるパイプライン内の圧力変化はピストンに作用し、ピストンを空気空洞内で上下に移動させ、空気空洞内の空気圧とパイプライン内の圧力が動的バランスを形成し、パイプライン本体への衝撃と振動を軽減します。

ウォーターハンマー除去装置は、圧力変動によるパイプラインの損傷を防ぐために使用できます。画像出典：bilibili@冷科普

ウォーターハンマー効果は完全に無用というわけではありません。ウォーターハンマーポンプなど、時にはこれを利用する必要があることもあります。ウォーターハンマーによって発生する強力な圧力を利用して、低い場所から高い場所へ水を汲み上げることができます。他の動作原理のポンプと比較して、構造がシンプルで、メンテナンスコストが低く、耐用年数が長いという利点があります。

同時に、ウォーターハンマー効果を利用して、清掃や噴水などの用途で高圧水のジェットを生成することもできます。

ウォーターハンマーポンプは、水をより高い場所に汲み上げて使用することができます。画像出典：baijiahao 今日の紹介の後、次にねじって開けられない缶に遭遇したとき、それを優雅に開ける方法がわかるはずですよね？ただし、キャップではなくボトルの底を叩く必要があることに注意してください。そうしないと、底は壊れてもキャップは開かず、恥ずかしいことになります...

著者: Wei Anran、アプリケーション エンジニア、上海交通大学、力学博士

企画・編集：レイン

タイトル画像出典: sohu.com