デカルトダイバー

デカルトダイバーまたはデカルトデビルは、浮力の原理（アルキメデスの原理）と理想気体の法則を実証する古典的な科学実験です。この装置の最初の記述は、ラファエロ・マジョッティによるもので、1648年に出版された著書「圧縮に対する水の非常に強い抵抗」に記載されています。このおもちゃはルネ・デカルトによって発明されたと言われており、彼にちなんで名付けられました。 ^[要出典]

この原理は、「ウォーター ダンサー」または「ウォーター デビル」と呼ばれることが多い小さなおもちゃを作るのに使われています。原理は同じですが、スポイトの代わりに、吹きガラスのシャボン玉など、浮力がほぼ中性のチューブである同じ特性を持つ装飾品が使われます。ガラスのシャボン玉の尾をひねると、ガラスのシャボン玉に出入りする水の流れによって回転が生まれます。これにより、おもちゃは沈んだり浮いたりするときに回転します。このようなおもちゃの例として、ここに示す赤い「デビル」があります。この装置は、液体の圧力を測定するのにも実用的です。

1950年代には、アメリカのシリアルの箱にプラスチックのダイバーが無料のおもちゃとして入っていた。また、ケロッグの フロステッドフレークのマスコット、トニー・ザ・タイガーをモデルにしたおもちゃのバージョン「ダイビング・トニ​​ー」が1980年代に発売された。

この実験では、大きな水を入れたボトルの中に「ダイバー」を入れます。これは、片側が開いた小さな硬いチューブで、スポイトによく似ています。空気がちょうど入っているため、ほぼ中性浮力になりますが、それでも浮力は十分あり、ほぼ完全に水に浸かっている状態でも上部に浮かびます。2 種類の「ダイバー」を作成できます。1 つは密閉されていますが柔軟な電球で、もう 1 つは密閉されたガラス電球 (懐中電灯から金属ベースを除いたもの) で、下にはウールの糸が垂れ下がっています。柔軟な電球は圧縮されて体積が減り、固体ガラスの電球は変化しませんが、繊維に閉じ込められた気泡が圧力にさらされるため、体積が変わります。

「潜水」は、大きい容器の柔軟な部分が内側に押されて大きい容器内の圧力が上昇し、「ダイバー」が底に沈み、圧力が解放されると再び表面に浮上するときに発生します。容器がガラス瓶のように硬い場合は、瓶を密閉しているコルクが内側に押されるか、外側に引っ張られます。

ダイバーの中には、正浮力を与えるのに十分な空気があります。したがって、ダイバーは水面に浮かんでいます。パスカルの法則の結果、密閉容器を圧迫すると空気の圧力が高まり、その圧力の一部は密閉容器の「壁」の 1 つを構成する水に対して作用します。この水は、今度はダイバー内の気泡に追加の圧力をかけます。ダイバー内の空気は圧縮可能ですが、水は非圧縮性流体であるため、空気の体積は減少しますが、水の体積は膨張しません。そのため、ダイバーの外部の圧力によって、 a ) ダイバーの体内にすでに存在する水がさらに内側に押し込まれ、b ) ダイバーの外部からダイバー内に水が押し込まれます。気泡が小さくなり、より多くの水がダイバーに入ると、ダイバーは自身の重量よりも軽い水の重量を押しのけるため、負浮力になり、アルキメデスの原理に従って沈みます。容器の圧力が解放されると、空気が再び膨張し、押しのけられた水の重量が増加し、ダイバーは再び正浮力を得て浮きます。

もし押しのけられた水の重さがダイバーの体重とぴったり同じなら、ダイバーは上がるこ​​とも沈むこともなく、容器の真ん中に浮かんでいると思われるかもしれないが、実際にはそうはならない。ある時点でそのような状態が存在すると仮定すると、ダイバーが現在の深さから少しでも離れると、容器内のその上の水の重さの変化により、ダイバーの体内の泡にかかる圧力が変化する。これは不安定な平衡である。ダイバーがほんの少しでも浮上すると、泡にかかる圧力が減少して泡は膨張し、より多くの水を押しのけ、ダイバーはより正浮力を得て、より速く浮上する。逆に、ダイバーがほんの少しでも下がれば、圧力が増加して泡は収縮し、さらに水が入り込み、ダイバーの浮力は低下し、水からの圧力がさらに上昇するにつれて、下降速度は加速する。この正の強化は、システム内のランダムな熱変動によるものであっても、平衡からの逸脱を増幅します。一定の圧力をかけることで、ダイバーが水面に浮かぶか、底に沈むかを選択できますが、ダイバーが液体の中に長時間浮かぶには、圧力を継続的に操作する必要があります。

楕円形のプラスチックボトルに入ったダイバーは、新たな興味深い特性を獲得します。実際、楕円形のボトルは圧縮されると体積が増大し、これが起こると、溺れたダイバーは浮上することができます。^[1]

ウィキメディア・コモンズには、デカルトダイバーに関連するメディアがあります。

• ポピュラーサイエンス 2020
• 直交ダイバーシミュレーション用の JavaScript アプリ
• デカルトダイバーの動作を示す Java アプレット
• レベッカ・ホップマンとキャサリン・ウィツォレク『デカルトダイバーの製作：当時と現在』
• リチャード・フレイザー『哲学的玩具』
• カラスケ、J.、アルバレス、MV、y ポンツ、A. (2014)。デカルトの悪魔の歴史を映像で振り返る展覧会「踊れ、踊れ、小悪魔たち」。テルエル: サラゴサ大学、http://web-ter.unizar.es/cienciate/expo/en/index.html
• パノフ、アレクセイ (2018)。デカルトダイバー