宇宙&物理2chまとめ【物理】「液体の上を歩く動画」の物理学 「流体の防護服」などにも応用

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【物理】「液体の上を歩く動画」の物理学 「流体の防護服」などにも応用

[ 2012/07/18 01:17 ] [ 物理 ] [ コメント(0) ]
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1: pureφ ★ 2012/07/15(日) 10:29:07.91 ID:???

「液体の上を歩く動画」の物理学

流体の上を歩いて渡れることを実演する動画と、その不思議な性質を解明した、『Nature』誌に発表された論文を紹介。




水の上を歩くのは奇跡と思われるかもしれないが、ある種の液体は、その上を歩くことができる。
物理学的な説明も可能だ。


コーンスターチなどの澱粉に水を適度に加えると、ウーブレック(oobleck)という流体になる。以下の動画で見られるように、この流体は、まるで固体のようにその上を歩いて渡ることができる。

ウーブレックは、非ニュートン流体の一種として知られる。非ニュートン流体とは、通常の流体に当てはまらない振る舞いをする流体の総称だが、これらは比較的ありふれた存在だ。例えばケチャップなどは、容器からは流れ出てくるが、ホットドッグの上では流れず、その形のままとどまる。ペンキや歯磨きペーストなど、液体と固体の両方をとるものはほかにもある。

ウーブレックは、非ニュートン流体のなかでも最も奇妙なものだ。ゆっくりと手を入れると、普通の液体のように振る舞うが、速く動かすと固体のようになるのだ。ウーブレックの上を歩くイヴェントは以前から行われていたが、なぜそれが可能かは、これまで十分には説明されてこなかった。多くの研究者は、流体の粘度が高まるためではないかと考えてきたが、粘度が高まるときに生じる力では、人間の体重を支えるのには不十分だ。

「人間が物体の上を走り抜けるとき、その物体に加わる力としては、せん断応力より圧縮応力のほうが大きい」と、シカゴ大学で物理学を専攻する大学院生、スコット・ウェイトゥケイティスは語る。「だからわれわれは、衝撃を加えられたウーブレックがどう反応するかを調べようと思った」

7月12日付けの『Nature』誌で、ウェイトゥケイティス氏は、指導教官のハインリック・イェーガーとともに論文を発表した。
ウーブレックが人間の体重を支えられるのは、人間が上を歩くことで生じる応力により、流体が圧縮されて固体のようになるためであることを示すものだ。

物理学で非ニュートン流体を研究する場合、流体の流れを測定するのが一般的だが、今回の研究では、ウーブレックに固体の棒を打ち込み、その過程を高速カメラで撮影するという手法をとった。さらに加速度計を使って、固体棒が流体表面にぶつかる際の力を測定した。

http://www.nature.com/nature/journal/v487/n7406/extref/nature11187-s2.mov
金属棒がコーンスターチと水の混合物の表面にぶつかる様子を高速撮影した動画。VIDEO BY SCOTT WAITUKAITIS

実験の結果、水中に浮かんでいるコーンスターチの粒子がまとめて押しやられ、そのため固い物体のように振る舞うことが示された。流体は、除雪機に押された雪のようにまとまり、円柱状の疑似固体を形成した。

内部の様子をさらに詳しく調べるため、研究者らはウーブレックの内部構造をわかりやすくするトレーサー粒子として研究室にあるナットやボルトなどを使い、歯科用のX線撮影装置で流体を観察した。その結果、円柱状の支持構造の存在を裏付ける、さらなる証拠が得られた。

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X線装置で見たウーブレック混合物内部のナットとボルト。Image: Waitukaitis, S. and Jaeger, H. Nature, vol. 487, July 12, 2012

ウェイトゥケイティス氏らは、ウーブレックの上を歩く人の移動速度が十分に速ければ、この疑似固体円柱が人間の体重を支えるのに十分な力をもたらすことを計算によって示した。

ただし、カリフォルニア大学マーセド校の物理学者エリック・ブラウンは、流体の入った容器の底部も体重の一部を支えている可能性が考えられるため、一時的に固くなるこの円柱構造が容器の底部にまで到達しないと、人間を支えられない可能性があると指摘している。

ウェイトゥケイティス氏はこの見解に異を唱え、固い円柱が底まで達することのないウーブレックの海の上を人間が走ったとしても、その人が溺れることはないだろうと述べている。

>>2あたりに続く

TEXT BY ADAM MANN TRANSLATION BY ガリレオ -高橋朋子
WIRED NEWS 2012年7月13日
http://wired.jp/2012/07/13/oobleck-explained/
Image Credit:Joey Gannon
元スレ:http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1342315747/











2: pureφ ★ 2012/07/15(日) 10:29:15.71 ID:???

非ニュートン流体は、キリストの奇跡を再現するトリックに使われるだけでなく、人命も救う可能性がある。
現在、非ニュートン流体をケブラーに注入することで、「流体の防護服」を開発する取り組みが複数の研究機関で進められているのだ。
そのような素材は、動きやすい軽さと流動性を維持しながら、弾丸を止める堅牢性を発揮すると考えられている。

Impact-activated solidification of dense suspensions via dynamic jamming fronts
Scott R. Waitukaitis & Heinrich M. Jaeger
Nature 487, 205–209 (12 July 2012) doi:10.1038/nature11187
http://www.nature.com/nature/journal/v487/n7406/full/nature11187.html
Non-Newtonian_fluid.png

非ニュートン流体 - Wikipedia
流れの剪断応力(接線応力)と流れの速度勾配(ずり速度、剪断速度)の関係が線形ではない粘性の性質を持つ流体のこと。ニュートン流体に当てはまらない流体の総称を指し、この流れのことを非ニュートン流動(Non-Newtonian flow)と言う。
Image Credit:Original uploader was Duk at en.wikipedia





5: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 12:05:58.69 ID:BMDk2PaV

>>1
すごい。


6: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 12:57:37.42 ID:YbnqLkNi

忍者か


8: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 13:41:50.81 ID:nbyhF88W

非ニュートン流体は、キリストの奇跡を再現するトリックに使われる

キリストが水面をピョンピョンしてるのって有りなのかな?


9: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 13:52:47.57 ID:w4Zi0yMH

昔から定期的にTVのネタになるなこれ


11: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 14:30:41.09 ID:CE1SQJXt

水田でもできるよね


12: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 14:34:57.56 ID:PFB1m0LB

10年前なら凄いと思った


13: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 14:43:54.85 ID:2oVJ2O6T

飛行機が海に墜落すると海面がコンクリ同様にとか何とかみたいなもん?
粘度高めりゃそりゃ抵抗力上がるわなって話?
歩行速度も大事?

とりあえず小生も走ってみたい


14: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 14:52:50.02 ID:gg+81lJ2

あ、これテレビ番組でこの前見たw


17: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 15:13:01.29 ID:BcyZM2bZ

防弾チョッキより、戦車とか軍艦の装甲の方が実用化出来そうな気がする。
昔の空母で水入れて装甲にしてたのあるんでしょ?


18: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 15:26:10.35 ID:vTStuw4l

>>1
なんか、日本のお笑い番組みたい。


19: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 16:00:50.93 ID:9yhkltnq

家では片栗粉の方がある率高いでしょう

片栗粉を水で溶いたら同じものが出来上がるけど実験と同じ量
作ろうと思ったらすごいお金がかかるからお勧めしない。
握ったり棒でつついたりスピーカーで振動してみたりするくらいで
やめときなさい。む


21: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 18:54:33.91 ID:izWKARut

右足が沈む前に左足を...


23: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 19:42:41.96 ID:I3kbYuDh

意外に製粉会社の人は水溶き粉の上を歩けることを常識のように知ってたりして。


26: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 20:42:11.12 ID:UIB+zebv

>>1
この映像から新しい物理の理論が・・・

ノーベル賞とイグノーベル賞を同時受賞してしまいそうだ。


29: 名無しのひみつ 2012/07/15(日) 23:17:37.56 ID:PgA+AqBq

>>1
でんじろう先生がやっていた気も・・・。w


30: 名無しのひみつ 2012/07/16(月) 09:21:06.06 ID:i8p5K77g

>>1
>通常の流体に当てはまらない振る舞いをする流体の総称だが、
>これらは比較的ありふれた存在だ。例えばケチャップなどは、
>容器からは流れ出てくるが、ホットドッグの
>上では流れず、その形のままとどまる。ペンキや歯磨きペーストなど、
>液体と固体の両方をとるものはほかにもある。

前なにかの本で紹介されてた時は
個々の例がインクだったなぁ…


38: 名無しのひみつ 2012/07/17(火) 20:32:12.70 ID:fcVxTUeF

逆に液状化現象との関係は?


39: 名無しのひみつ 2012/07/17(火) 20:58:31.55 ID:LcfIxvvy

>>38液状化は逆に粒子の間に液体が十分に入り込んで巻き上がる現象だよな


40: 名無しのひみつ 2012/07/17(火) 21:53:35.93 ID:0oJDYvQG

ボディブローくらう瞬間腹に力入れると痛くないのと同じ現象


32: 名無しのひみつ 2012/07/16(月) 20:25:23.35 ID:DnloHFHQ

この時我々はこれが後に偉大なブレイクスルーになるとは
思いもしなかったのである





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