超音波による核融合について
超音波核融合
2005年8月20日
飛行機がどのように飛ぶのか、ご存知だと思います。もし分からない場合は、「もし飛べたら？」（別名「アスピリソーフル」）を読んでください。こちら。翼の上面には低気圧が生じます。これを「上縁」と呼びます。
飛行機の翼
ところで、この翼の表面に生じる低気圧の程度はどのくらいでしょうか？小型の単座機を想定してみましょう。重量が300キログラム、翼面積が18平方メートルとします。これにより翼面荷重は16キログラム/平方メートル、つまり1.6グラム/平方センチメートルになります。地上の気圧は1000グラム/平方センチメートルなので、翼の上縁と下縁の間の平均気圧差は数ミリバール程度です。このため、布張りの飛行機でも飛行可能であり、翼の上に足を乗せることは推奨されません。なぜなら、足が翼を貫いてしまうからです。
では、水中ではどうでしょうか？水は空気より1000倍密度が高いです。同じ速度で動く場合、はるかに小さな「翼」で「水中飛行」が可能です。これを「フォイル」と呼びます。
翼とフォイル
このような小さな面積でも浮力を得られるのは、圧力変化がはるかに大きいためです。フォイルが液体表面に非常に近づいて動いていると仮定しましょう。その場合、周囲の圧力は約1キログラム/平方センチメートルに近くなります。右側の船は、飛行機の翼周辺で観測される圧力差よりもはるかに大きな圧力差によって浮力を得ています。そのため、フォイルは布張りではなく、丈夫な鋼鉄で作られています。
ところで、なぜ翼の上縁に低気圧が生じるのでしょうか？水中ではこれの理解がより容易です。流体の質量が「停止点」で翼に衝突し、その後再び加速します。このとき、流体は速度を増し、遠心力の効果も受けるのです。
液体に低気圧がかかるとどうなるでしょうか？シリンダーとピストンを使って実験できます。ピストンを引くことで、液体中の圧力を、その温度における飽和蒸気圧より下まで下げると、小さな気泡が発生します。これらはシャンパンの泡とは異なり、溶解した気体ではなく、水蒸気で満たされた泡です。この現象を「キャビテーション」と呼びます。
キャビテーション現象
以下は、シリンダー内で発生させたキャビテーションの写真です。
キャビテーション気泡
1917年、英国海軍は物理学者ウィリアム・ストラット（ロード・レイリー）に、奇妙な問題を提示しました。英国王立艦隊の銅製プロペラは、ほとんど新品なのに、小さな穴だらけになっていたのです。海軍将校たちは、海中に金属を攻撃する未知の寄生生物がいるのではと疑いました。以下は、より最近の写真で、キャビテーションが遠心ポンプの羽根に与える被害を示しています。
遠心ポンプの羽根に生じたキャビテーションによる損傷。かなり驚くべきものですね？
以下は、金属表面に観察された「刺し傷」を拡大した画像です。
銅製羽根におけるキャビテーションによる損傷
当初、英国海軍将校たちが考えていた「未知の水クモ」ではなく、ロード・レイリーが計算を重ね、その理由を説明しました。プロペラの羽根には、局所的に水の飽和蒸気圧を下回るほどの低気圧が生じており、水が局所的に沸騰していたのです。重要な点：常温における水の飽和蒸気圧はどれくらいでしょうか？
答え：数パascal、つまり0.01ミリバール程度です。水力機械において、羽根周辺に生じる低気圧は非常に強いです。そのため、非常に小さなプロペラでも、ボートを推進できるのです。以下は回転中のプロペラの羽根です。矢印は、キャビテーション現象に伴う水蒸気の気泡を示しています。
回転中のプロペラの先端付近におけるキャビテーション
羽根の縁から水蒸気の気泡が発生する細い列が見えます。しかし、その発生源は別の性質を持ちます。これは端部渦に起因し、飛行機の翼先端にできる凝縮尾と似ています。ここでは触れません。プロペラの上縁に沿った圧力の変化を考えてみましょう。
プロペラ上縁に沿った圧力の変化
この曲線は概略的なものです。翼の弦長に沿って圧力が急速に低下していることがわかります。圧力が液体（水）の飽和蒸気圧を下回ると、気泡が発生し、圧力がさらに低下するにつれて気泡は大きくなります。その後、翼の後続部分では周囲の圧力に比べて低気圧状態が続くものの、圧力は再び上昇し、再び水の飽和蒸気圧を超えるようになります。すると、水蒸気が消失しようとするため、写真に見られる現象が起こります。
流体力学では、膨張現象と圧縮現象（再圧縮）は異なる挙動を示すことは周知の事実です。圧力が上昇するとき、気泡の壁は球状のピストンのように働き、水蒸気と競合します。もし気泡の収縮速度が水蒸気中の音速を超える（実際は超えます）と、球状の衝撃波が発生し、中心に向かって収束します。このとき、非常に大きなエネルギーが集中し、プロペラの金属に「刺し傷」を残すだけでなく、ポンプの羽根に見られたような深刻な破壊を引き起こすのです。
キャビテーションによる損傷の説明
「空洞荷重」と呼ばれるシステムが知られています。円錐形の壁面全体に爆薬を点火（非常に高い伝播速度を持つ爆薬を使用）すると、円錐表面から非常に強い衝撃波が発生し、そのエネルギーがシステムの軸に集中します。これにより「針」が形成され、直径とほぼ同じ厚さの鋼鉄装甲を貫くことができます（ただし、穴の直径は針よりもはるかに小さくなります）。気泡の収縮は、クリストフ・タルディが指摘したように、球状衝撃波が持つエネルギーの集中と似ています。もし、円錐ではなく球状の空洞を持つ空洞荷重を設計すれば、球の中心、つまり焦点点に非常に高いエネルギーを集中させられるでしょう。これがキャビテーションで起こっている現象です。
前述したように、キャビテーションは1917年に発見されました。1930年には、比較的強い超音波を生成できるようになりました。1934年、コーネル大学で、物理学者たちを驚かせる現象が発見されました。液体（たとえば水）に超音波を照射すると、その液体が…光を発するのです。この現象には「ソノルミネセンス」という名前が付けられました。
今まさに…