③「カルマン渦の脱離」が及ぼす影響


 物体の後ろにできる渦は、一様な流体中であろうと正確な物体であろうとすぐには安定しない。(当然ながら成長の過程に時間がいる。)

不安定なカルマン渦

安定と言っても規則的になるだけで時間がかかる。
その為、少しでも風がある空間では安定するはずがない。
本来空気抵抗がなかった場合、重力により鉛直下向き方向の力でボールは放物線を描く。
重力により常に進む方向が変わる物体では、風がなくてもカルマン渦は安定しない。
 さて、このシリーズ冒頭で「外力を受けない」等と書いてはみたが、重力や流体によりしっかりと外力を受けていた。
しかし果たして流体、しかも空気なんて軽いもので割と重いボールが変化するのだろうか?
実はまっすぐ蹴ったはずのサッカーボールが、途中から不規則に変化しだす(ブレる)理由がそこにあるのだ。
 下の動画は以前の例よりも無固定で重力下にある(放物線を描く)ボールにはこちらの渦列の方がイメージしやすいだろう。

動画で分かる通り、渦の成長にしばらく時間がかかるのだ。

不規則にブレだすボール

 シュートにより放たれたボールはカルマン渦の成長の間も変化しているが、止まれない人間が確認出来ないレベルの減速とわずかな変化のみだろう。(相対運動という意味で。)
さて、ボールの後ろで成長しきったカルマン渦が、動画の「25秒~」あたりでようやく脱離を開始する。
わずかな変化だけだったボールが、この時遂にブレ出すのだ。
 動画27秒では、青側の渦が脱離するとき「流体の粘性」だけではなく、脱離した空間を埋めるために赤側の渦が青色の渦があった場所へ移動しながら成長する。
カルマン渦列として安定した時と比較すると、最初の脱離からしばらくは不安定な渦列となっているのが分かるだろう。
この動画で物体は固定されているが、ボールは空間上で固定されていないために渦列が安定することはない。
脱離の瞬間青い渦が存在していた空間を埋める(真空を作らない)ために、赤い渦は移動しながら成長し、その赤い渦とボールが(最小限のエネルギーになるように)移動する。(正確には周囲の空気により押し込まれる。)
ボールは渦の無くなりかけた空間に引っ張られるが、この力は渦が空気であることから物体が軽ければ軽いほど割合が大きくなる。

渦が抜けていく力=物体が引っ張られる力+渦が引っ張られる力

といったところだろう。
adidas(アディダス)ブラズーカ 試合球 AS590
 動画の通り、一度脱離をするとカルマン渦は次々と発生し、固定された物体の後ろでは安定するまで時間がかかるもののカルマン渦列ができる。
先にも述べた通り、シュートされたサッカーボールのカルマン渦が安定することは無い。
不規則なカルマン渦が脱離するたびにボールは不規則に変化する。
これで無回転のシュートがブレる理由が完成したのだ。
<追記>流体中の丸い物体の動画を発見した。


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 下にある大雑把なグラフがビリーの体組成。こんなわかりにくい連携じゃ流行りませんよ?タニタさん…(PCじゃないと見れません。)

ビリーの体組成

 これはあまりにも大雑把すぎるのでは…

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