キャビテーションとは？

亀田 正治 (農工大)

　これだけ科学が発達した現在でも，流体の動きにはまだまだ未解明の部分がたくさんあります．天気予報が外れるのも，H-IIロケットが落ちたのも，地震や火山噴火が予知できないのも，原因の一端は，流体の動きが予測できないことにあります．

　私たちは，その未解明の部分の中でも，特に，液体中に見られる「気泡 (bubble)」に着目して研究を行っています．泡を利用したインテリアが売られていますが，それを見ると，泡はときにまっすぐ，ときに揺れ，ときには合体し，またときには分裂していきます．このような美しい，しかし大変複雑な動きを，科学の目でとらえて行こうというわけです．

　みなさんはすでに，お湯を沸かすと盛大に泡が発生することは知っていますね．また，この現象を「沸騰 (boiling)」と呼ぶことも知っていると思います．

　一見関係なさそうに見える以上二つの発泡現象は，実は，同じようなメカニズムによって生じています．図1は，蒸気圧曲線と呼ばれるものです．温度が高くなるにつれて蒸気圧が高くなっていることがわかります．熱による沸騰は，液体の蒸気圧が周囲の圧力に比べて高くなったときに生じます．図中のルート�@ですね．これに対して，コーラのビンに見られる発泡は，栓を抜くことによってビンの中の圧力が下がったことによって起こります．図中のルート�Aがそれに当たります．このような，減圧による発泡現象を一般に，「キャビテーション (cavitation)」と呼びます．

図1 沸騰とキャビテーションの違い

　液体の圧力が下がるのは，ビンの栓抜きだけとは限りません．図2は，左から右に向かって流れる液体中に置かれた「翼 (hydrofoil)」の周りの様子です．翼の周りに白っぽい部分があることがわかります．これは，光線の加減でも，翼から吹き出たガスでもありません．流れの中で勝手に (しかし，気まぐれではなく) 起こったことです．

　流体中の圧力pは，一般に，

　　 , ・・・ (1)

という関係のもとに変化します．ここで，rは流体の密度 (単位体積あたりの質量)，Vは流れの速度 (流速) です．式(1) [ベルヌーイの式] は，流体の動きを知る上できわめて重要なもので，流速が速いところでは圧力が低く，流速が遅いところでは圧力が高い，ことを示しています．

　翼の周りでは，流体が押し広げられるため，周りに比べて流れが速くなります．流速を速めていくと，液体の圧力は次第に低下し，ついには蒸気圧を下回ります．その結果，図2のような気泡をともなう流れになるのです．

　以上見てきた翼周りのキャビテーションは，その翼の性能や材料に大きな影響を及ぼします．図3を見てみましょう．スクリューの付け根にいっぱい孔があいていますね．これは，いったん発生した気泡が再びつぶれるときに発する極めて高い衝撃圧力が原因です．鋭い針先で何度も何度もつつくのと同じ原理です．一個の気泡がつぶれるだけでも何100気圧にものぼる衝撃圧力が発生します．このことからも，数限りない気泡が際限なくつぶれていくことで，われわれの想像を超えた力が生じることが伺われます．