大きな音も出せるし、破壊力もすごい…これは一体何のサイケデリックバブルなのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 王永九 (中国科学院機械研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

1942年初頭、アメリカの潜水艦がマカッサル海峡で任務中だったとき、潜水艦の盗聴装置は謎の「パチパチ」という音によって頻繁に妨害された。最初、これらのノイズの発生源はわかりにくかったです。しかし、科学者たちは近くの海域でテッポウエビの大群を発見し、この海洋生物が異常な音の源である可能性があると推測し始めた。

1946 年、カリフォルニア大学戦争研究部の海軍電子工学研究所は興味深い研究報告書を発表し、これらの巨大な騒音の本当の原因が、テッポウエビの巨大な爪が急速に閉じることによって引き起こされる激しい衝突であることを明らかにしまし た。

カリフォルニア大学戦争研究部海軍電子工学研究所によるピストルシュリンプによる騒音の研究報告書

ピストルシュリンプの爪を9倍に拡大した手描きの絵

（画像出典：参考1）

しかし、オランダのトゥエンテ大学の応用物理学教授であるローゼ氏とその研究チームが、高速写真技術と水中聴音装置を組み合わせて、この騒音の謎を本当に解明したのは、2000年になってからでした。この騒音は、実際には水流の動きによって形成された泡によって引き起こされていました。

さらに驚くべきことは、これらの泡は大きな音を出すだけでなく、驚くべき破壊力も持っているということです。これを見ると、この不思議な泡はどうやって作られるのだろうと不思議に思わざるを得ません。なぜそんなに大きな音がするのでしょうか？なぜこれほど強力な破壊力を持つのでしょうか?

(A) 実験で水中マイクによって得られた信号

(B) 高速度カメラで捉えたキャビテーション気泡の発達と進化

（画像出典：参考資料2）

キャビテーションとは何ですか?

前の質問に答えるには、基本的な物理原理を理解する必要があります。つまり、流体では、流量が増加すると圧力が低下し、流量が減少すると圧力が上昇します。これはベルヌーイの定理の現れです。同時に、圧力が低下すると液体の沸点も低下するため、高地では沸騰したお湯を使っても卵を調理することが難しくなります。

テッポウエビの話に戻ると、その大きな爪を素早く閉じることで、時速115kmにも達する高速の水流を生み出すことができます。この速度によって形成される低圧は、液体の水が加熱されることなく直接水蒸気に変換され、私たちが目にする泡を形成するのに十分です。このプロセスはキャビテーションと呼ばれます。

キャビテーション気泡が発生した後、気泡内部の圧力は外部の水圧よりもはるかに低くなるため、気泡は急速に圧縮されて収縮し、最終的には崩壊して破壊され、衝撃波と約 210 デシベルの音が発生します。テッポウエビは、このキャビテーション気泡を利用して、海中で恐ろしい覇者となります。

キャビテーション発生条件の模式図

（画像出典：この画像は著者3Franc JPのオリジナル画像を元に作成しました）

キャビテーションの脅威：騒音から構造的損傷まで

このキャビテーション気泡の大きな音と破壊力はテッポウエビだけに限ったことではありません。また、構造物に重大な侵食被害を引き起こす可能性もあります。特に水中で高速回転する水中翼、プロペラ、タービンブレードでは、表面の低圧部に多数のキャビテーション気泡が発生し、局所的に高エネルギーの衝撃荷重が発生して表面にキャビテーション損傷を引き起こし、振動や騒音などの一連の問題を引き起こします。

これらの問題は、水中通信やソナーの正常な動作を妨げるだけでなく、ノイズによって運航中の船舶の位置が明らかになる可能性もあります。同時に、キャビテーションやキャビテーション侵食の影響により、設備システムの効率が低下することが多く、構造が侵食損傷を受け、設​​備が正常に動作しなくなることもあります。したがって、高速流体力学の分野では、キャビテーション気泡は間違いなくエンジニアリングアプリケーションにおける大きな隠れた危険であり、ナンバーワンの殺人者と言えます。

タービンブレードの典型的なキャビテーション構造損傷図

（画像出典：参考文献4）

脅威を強みに変える：キャビテーション技術の応用

しかし、物事には常に両面があるように、キャビテーションにはいくつかのプラスの効果もあります。

キャビテーションがさらに発達すると、気泡が徐々に流れ物体全体を包み込み、「スーパーキャビテーション」を形成します。この特殊なキャビテーションにより、物体を外部の水体から完全に隔離し、物体を気相で移動させることで、固体/液体界面を固体/気体界面に変換し、粘度を低下させ、摩擦抵抗を大幅に低減することができます。そのため、軍事分野や民間分野で大きな応用可能性を秘めています。

20 世紀に軍事産業に登場したスーパーキャビテーション魚雷は、この技術を具現化したものだ。魚雷の速度を60ノットから200ノット以上に上げることができ、重要な軍事的価値を持っています。しかし、このスーパーキャビテーションの形成により、車両がガス相に囲まれることになる点に注意する必要があります。外部干渉により姿勢が変化すると、機体の一部が濡れ、大きなテールビートトルクの影響を受けるため、長距離飛行中の姿勢安定性の制御が非常に困難になります。

スーパーキャビテーションの流れの模式図

（画像出典：参考文献5）

将来の探査：高速水上車両

実は、早くも60年前に、わが国の「二爆一衛星功労賞」受賞者であり、中国科学院機械研究所の初代所長である銭学森氏が、スーパーキャビテーション技術に関する「スーパーキャビテーション」翼面の概念を積極的に提唱していました。中国機械学誌に掲載された水中翼理論に関する論文の中で、彼は時速90キロメートルを超える速度の用途では従来の設計は適用できず、このタイプの翼を使用しなければならないと提唱した。当時の研究範囲をはるかに超えたこの概念は、現在では検証され、応用されています。

銭学森自身が創設した中国科学院機械研究所の研究チームは、この技術を利用して新しい概念の高速船モデルを開発し、中国の水上艦艇の速度と安定性を大幅に向上させました。関連する基礎理論研究成果も最近、流体力学の権威ある学術誌「Journal of Fluid Mechanics」に掲載されました。これらの研究成果は、船舶の航行速度向上のための基礎やアイデアを提供するだけでなく、海洋強国の構築という戦略目標の実現にも貢献します。

関連する成果はCCTVニュースによって報道された。

（写真提供：CCTVニュース）

キャビテーション気泡は単純に見えるかもしれませんが、自然と物理学の魔法のような組み合わせを示しています。科学者たちは徹底的な研究を通じて、この現象をより効率的に活用する方法をさらに探求し、それによってより多くの分野で高速流体力学のブレークスルーを促進します。

参考文献:

[1] カリフォルニア大学海軍電子工学研究所戦争研究部門、「カニエビによる水中騒音」（サンディエゴ、1946年）

[2] M Versluis、B Schmitz、A von der Heydt、D Lohse (2000)。スナップシュリンプがパチンと鳴る仕組み: キャビテーション気泡を介して。サイエンス、289（5487）：2114-2117。

[3] Franc JP、Michel JM「キャビテーションの基礎」シュプリンガー、2004年。

[4] クリストファー・E・ブレネンキャビテーションの基礎入門、2011

[5] チョン・ジェホ1とチョ・ユンウ静止流体中の移動体の周りの換気スーパーキャビテーション：観察と抗力測定 J. Fluid Mech. (2018)、vol. 854、367-419頁。