テープをリッピングするとなぜあんなに音がするのでしょうか?これはロケットの打ち上げとほぼ同じです

超音速の衝撃波というと、私たちは無意識のうちに核爆発、ジェット戦闘機、ロケットの打ち上げなどを思い浮かべるかもしれません。しかし、どう考えても、こうしたエネルギーの爆発はシャンパンを開けることとはかけ離れています。しかし興味深いことに、「シャンパン学」の研究によると、シャンパンのボトルを開けることは小型ロケットの打ち上げによく似ており、どちらも超音速の衝撃波を生み出すそうです。

激しく揺れた後、私たちは次の瞬間にコルクが飛び出るのではないかと期待しながらシャンパンボトルを見つめました。 「ドカン」という音とともにワインと泡が噴き出し、群衆は歓声をあげた。これは祝賀会ではよくある光景だ。しかし、これはシャンパンを開ける正しい方法ではありません。非常に危険で、毎年負傷者が出ています。

シャンパンを振らず、コルクを覆っているワイヤーを外さずに、もう一度やり直してみましょう。片手でコルクを押し、もう一方の手でボトルをゆっくり回転させます。コルクはボトル内の空気圧によって自然にゆっくりと押し出され、「ポン」という音とともに飛び出し、続いてボトルの口から薄い白い霧が現れます。

おそらく、人々の注目を集めたのは白い霧だったのでしょう。 2019年にサイエンス・アドバンス誌に掲載された記事によると、ある物理学者が「シャンパン学者」に変身し、シャンパンのボトルが開けられる瞬間を高速カメラで撮影するという突然のアイデアを思いついたという。彼らは、コルクが飛び出した後、ボトルから噴出した高圧の空気流が超音速の衝撃波を形成することを発見して驚きました。

超音速衝撃波は、本質的には、超音速で移動する物体によって引き起こされる周囲の媒体（空気など）の乱れであり、物体の前方に圧縮された空気の流れを継続的に形成します。これらの圧縮された空気の流れは膨大な量のエネルギーを運び、超音速の空気波の形で周囲に影響を与えます。

写真の右上には、撮影時間（583 マイクロ秒から 1000 マイクロ秒）が表示されています。高速カメラは、マッハリング（矢印で示す位置）がボトルの口から徐々に離れて図 1 の E の位置に移動し、最終的に図 F で完全に消滅する様子を捉えました。（画像出典：原著論文）

マッハリング

気流は通常無色であるため、衝撃波を直接見ることはできません。では、なぜカメラはシャンパンボトルの口の超音速衝撃波を捉えることができるのでしょうか?実際、超音速の衝撃波を見たと言うよりも、超音速の気流によってのみ形成され得る現象を観察したと言った方が正確でしょう。

シャンパンを開ける写真をよく見ると、ボトルの口から白い線が徐々に離れ、消えていくのがわかります。しかし、ボトルの口の真上から見下ろすと、この線は実際にはリングであることがわかります。これがマッハディスクです。

我が国のJ-20戦闘機の尾翼に、明るい光輪（マッハリング）の列が見える。 （写真提供：新華網）

超音速航空機の離陸やロケットの打ち上げに注目したことがあるなら、その背後には常に明るい光輪の列があり、それがマッハループでもあることに気づいたかもしれません。ロケットも飛行機も、強力な推力を得るために超音速の気流を噴出する必要があります。超音速気流の圧力は非常に高いため、ノズルから大気中に噴出されると直接膨張します。しかし、膨張後の空気流の圧力は大気圧よりも低くなるため、再び圧縮されます。このようにして、超音速の空気の流れは膨張と圧縮の間を循環します。このプロセスにより、膨張波と圧縮波が形成されます。伝播の過程でこれら 2 つが出会って重なり合い、円形のリング、つまりマッハ リングを形成します。

マッハリング現象の発生に必要な条件は明らかです。1つは超音速の気流です。もう 1 つは、気流圧力が周囲の圧力と等しくないことです。前者は衝撃波の発生条件を満たしている。後者は気流の変化を引き起こし、異なる波を生み出す可能性があります。

シャンパンボトルの口のマッハループは、ロケットの尾部のマッハループと同じ理由で発生しますが、この2つには1つの大きな違いがあります。それは、超音速の気流の温度です。シャンパンのコルクが開く瞬間、ボトル内の空気の流れが急速に溢れ、ボトル内の気圧と温度が急激に低下します。二酸化炭素と水蒸気の混合物が氷の結晶に凝縮し、灰白色の霧を形成します。そのため、シャンパンボトルの口のマッハリングが白い霧の中に現れます。ロケットから噴出される気流の温度が高すぎるため、その中に混ざっている少量の燃料が引火し、マッハリングが特に眩しい光になります。

コルクが飛び出る瞬間

しかし、シャンパンボトルの口から噴出される気流が音速を超えてマッハリングを発生させることは知られているものの、その具体的な過程や物理的なメカニズムはまだ解明されていません。今年、物理学誌「流体物理学」に掲載された論文の中で、科学者たちはコンピューターシミュレーションを使用して、シャンパンのコルクが抜かれる1ミリ秒（1000マイクロ秒）の間に衝撃波がどのように形成され、発達し、最終的に消散するかというプロセスをさらに明らかにした。

シャンパンには二酸化炭素が多く含まれており、ボトル内の気圧は大気圧の約6倍になります。ボトル内の圧縮された二酸化炭素ガスは、コルクに常に外向きの力を加え、コルクを押し出そうとします。安定した状態では、コルクとボトルの壁の間の静摩擦が外側への押し出しとバランスをとります。しかし、コルクをねじり始めると、静摩擦はすぐに動摩擦に変わり、空気圧に対抗できなくなります。コルクはロケットのように飛び立つ準備が整いました。

コンピューターで生成された画像。上から下に向かって、各行は衝撃波の進化の第 1 段階、第 2 段階、第 3 段階に対応します。最初の列の 500 マイクロ秒では、コルクがちょうど飛び出しており、空気の流れはコルクとボトルの口の間の隙間に沿って横方向にしか広がりませんでした。 2 行目の 917 マイクロ秒では、コルクがボトルの口から一定の距離離れており、空気流は直接噴出できますが、コルクに衝突して湾曲した衝撃波を形成します。 3段目の1167マイクロ秒では、ボトルの内側と外側の圧力差が減少し、超音速で逃げる気流を支えることができなくなりました。各列は、左から右に、それぞれ流速、気圧、温度の空間分布を示しています。行変数と列変数を組み合わせることで、各ステージのステータスとさまざまな変数の間隔分布を確認できます。 (画像出典: 原著論文) コンピューターシミュレーションによると、コルクが飛び出した後 1 ミリ秒間の超音速気流の変化は、次の 3 つの段階で説明できます。

コルクが飛び出す最初の段階（600 マイクロ秒以内）では、ボトル内の二酸化炭素ガスの流れが超音速で逃げていきます。このプロセスは、ロケット打ち上げ時の気流加速プロセスと非常によく似ています。ロケットの尾部にあるノズルは漏斗の形をしており、両側が広く、中央が狭くなっています。ラバルノズルとも呼ばれます。点火後の加熱された高圧の空気流は、徐々に狭くなるノズルの前半分を通過する際に圧縮され、加速し続けます。シャンパンのボトルの首の細くなった形状にも同様の効果があり、ボトルの口で空気の流れが超音速まで加速されます。

群衆が狭い交差点で立ち往生しているときはゆっくりと動き、開けた場所に到達すると分散して加速するのと同じように、空気の流れも狭い経路で圧縮された後、開いた場所に入ると急速に拡大して加速します。したがって、高圧の気流はボトルの口から出て比較的低圧の外部環境に入ると超音速に達します。一方、ロケットの気流はノズルの後半部分で超音速に達することができます。ロケットとは異なり、シャンパンボトルの口のコルクは空気の流れに比べて動きが遅すぎるため、直接の空気の噴出が妨げられます。この段階では、超音速の気流はコルクとボトルの口の間の隙間に沿って横方向にのみ拡大して逃げることができ、コロナ衝撃波とマッハリング現象が形成されます。

コルクがボトルの口から離れる第 2 段階 (600 ～ 1000 マイクロ秒の間) では、ボトル内のガスが引き続き放出され、最終的にロケットの気流のようにまっすぐに噴出され、その後少し離れたコルクに衝突して、湾曲した衝撃波が形成されます。

第 3 段階(1000 マイクロ秒以上) では、ボトル内の圧力が徐々に大気圧と等しくなり、ボトル口の圧力差を維持できなくなり、空気の流れが勢いを失います。したがって、ジェット気流は音速以下になり、衝撃波が完全に消散するまで減速し続けます。

人生にインスピレーションを受けて

ロケットの打ち上げとシャンパンボトルの開封を結び付けるこの興味深い研究は、「シャンパン学」研究の進歩を促進するだけでなく、ロケットやミサイルの打ち上げの弾道学など、一連の重要な応用研究の参考資料も提供します。この研究は、流体力学（流体物質が力の影響を受けて移動するプロセス）に対する理解を深めることで、水中車両や風力タービンを開発するエンジニアにも役立つ可能性がある。

しかし、実際には、私たちの周囲で超音速の衝撃波を発生させることができるのは、シャンパンのボトルを開けたときだけではありません。人生の中で、とても心に刺さる 2 つの音に気づいたことがあるでしょうか。それは、 「裂ける!」という音です。透明テープを剥がすときの「パキッ！パキッ！」という音。公園で運動するために鞭を鳴らすときの音。

テープを強く引き裂くと、テープが常に細かく裂かれ、一連の「引き裂く」音が聞こえます。テープを貼り付けた表面から力強く引き離すと、テープの接着剤がバネのように伸びて弾性位置エネルギーを蓄えます（そのため、連続的に引き離すことはできません）。より大きな引張力に耐えられず粘着「バネ」が破断すると、蓄積された弾性位置エネルギーは、テープ分割端（接着テープと分離テープの境界線）で直ちに運動エネルギーに変換されます。

この過程を高速度カメラで撮影すると、テープの切断端が毎秒650～900メートルの速度で動いているのがわかります。これは音速をはるかに超え、戦闘機よりも速い速度です。つまり、粘着テープが位置エネルギーを蓄積して剥がれるたびに、小さな超音速衝撃波が放出されるのです。したがって、ミニソニックブームの蓄積が私たちにとって確かに耳障りに聞こえることは理解しにくいことではありません。

透明テープを剥がすと、どうしても「引き裂く」という音がします（画像出典：Pixabay）

「パキッ！パキッ！」という大きな音を勘違いする人もいるかもしれません。公園で鞭の音が聞こえると、鞭が地面に当たる音として聞こえますが、実際はすべて、空中で爆発する小さな超音速衝撃波です。人が鞭を強く振ると、運動エネルギーが鞭に伝達されます。通常、鞭の柄は太く、質量も大きくなります。運動エネルギーが柔らかい鞭本体に沿って薄くて軽い鞭の先端に伝達されると、運動量保存を保証するために、鞭の先端の速度はハンドルの速度よりもはるかに大きくなり、音速を簡単に超え、局所的な超音速衝撃波が形成されます。

この現象はホイップ効果としても知られています。シャンパンのボトルを開けるのと同じように、それは生命から生まれますが、複雑な物理的メカニズムも含まれています。

さて、もし誰かがこう尋ねたとしたら: シャンパン、テープ、鞭の共通点は何でしょうか?
どう答えればいいか分かりますか？

出典: Bringing Science Home