Antibubbleの生成過程モデル(修士論文(2008年度))

Abstract

石鹸水とストローでできる自然現象として、「シャボン玉」がある。シャボン玉は、子供の頃に誰でも一度は遊んだことがあるだろう。このシャボン玉はこれまで多くの研究者が興味を持ち、数多くの研究がなされている。ところで、シャボン玉を作るために必要な石鹸水とストローを用いると、もうひとつ違った現象を見ることができる。それが、「Antibubble」である。Antibubbleとは、液面に衝突した液柱(jet)が、液面と一体化することなく液中に潜り込んで液滴に分裂する現象、およびその液滴のことであり、簡単に言えば「水の中のシャボン玉」である。このAntibubbleは石鹸水に限らず、油、スプレー液やさらにはコーヒー、ビールなど、我々のごく身近なもので見ることができる。しかし、このAntibubbleは我々の身近で起こる現象にもかかわらず、その研究は最近まであまり行われていない。本研究は、Antibubbleの生成過程をモデル化することを目的として行った。そして、剛体近似とjetの不安定性を用いた簡単なモデルでこの現象を表すことに成功した。本研究で構築したモデルは次のようなものである。まず、生成の過程を二つの段階に分ける。そして、それぞれの段階において次のように考える。・jetがある深さまで潜り込む間:剛体円柱と近似して「剛体の運動方程式」を解く。・潜り込んだ後くびれてAntibubbleとなる間:jetが不安定になってくびれるとして「jetの不安定性」の議論を行う。最後に、その二つの段階を合わせ、Antibubbleの生成過程モデルとした。この生成過程モデルを用いることで、Antibubbleの半径や生成時間など、Antibubbleの生成に関する様々なパラメータを導出することができた。また、このモデルから導出された各パラメータの理論値と実験値を比較した結果、このモデルが線形近似の範囲で現象をよく表しており、モデルとして妥当であることが示された。