第14章流体力学
Additional Problems追加問題
Exercises 104–119練習問題 104–119
Exercise 104問題 104
Before digital storage devices, such as the memory in your cell phone, music was stored on vinyl disks with grooves with varying depths cut into the disk. A phonograph used a needle, which moved over the grooves, measuring the depth of the grooves. The pressure exerted by a phonograph needle on a record is surprisingly large. If the equivalent of 1.00 g is supported by a needle, the tip of which is a circle with a 0.200-mm radius, what pressure is exerted on the record in Pa?
英語のヒント
携帯電話のメモリーなどのデジタル記憶装置が登場する前、音楽は、深さを変えた溝を刻んだビニール製の円盤に記録されていた。蓄音機は溝の上を動く針を使い、その深さを読み取った。針がレコードに加える圧力は、驚くほど大きい。半径0.200 mmの円形の先端を持つ針が、1.00 gの質量に相当する重さを支えている場合、レコードに加わる圧力は何Paか。
Exercise 105問題 105
Water towers store water above the level of consumers for times of heavy use, eliminating the need for high-speed pumps. How high above a user must the water level be to create a gauge pressure of ?
英語のヒント
給水塔は、使用量の多い時間に備えて利用者より高い位置に水を蓄え、高速ポンプを不要にする。ゲージ圧を生じさせるには、水面を利用者より何m高くする必要があるか。
Solution解き方
30.6 m
Exercise 106問題 106
The aqueous humor in a person’s eye is exerting a force of 0.300 N on the area of the cornea. What pressure is this in mm Hg?
英語のヒント
眼の房水が、面積の角膜に0.300 Nの力を加えている。この圧力は何mmHgか。
Exercise 107問題 107
(a) Convert normal blood pressure readings of 120 over 80 mm Hg to newtons per meter squared using the relationship for pressure due to the weight of a fluid rather than a conversion factor. (b) Explain why the blood pressure of an infant would likely be smaller than that of an adult. Specifically, consider the smaller height to which blood must be pumped.
英語のヒント
(a) 通常の血圧の指示値120/80 mmHgを、換算係数ではなく、流体の重さによる圧力の関係を用いてN/m²に換算せよ。(b) 乳児の血圧が成人より低いと考えられる理由を説明せよ。特に、血液を送り上げる必要のある高さが小さいことを考えよ。
Solution解き方
a. ;
b. Since an infant is only approximately 20 inches tall, while an adult is approximately 70 inches tall, the blood pressure for an infant would be expected to be smaller than that of an adult. The blood only feels a pressure of 20 inches rather than 70 inches, so the pressure should be smaller.
b. Since an infant is only approximately 20 inches tall, while an adult is approximately 70 inches tall, the blood pressure for an infant would be expected to be smaller than that of an adult. The blood only feels a pressure of 20 inches rather than 70 inches, so the pressure should be smaller.
英語のヒント
a. 。b. 成人の身長が約70インチなのに対し、乳児は約20インチしかないので、乳児の血圧は成人より低いと考えられる。血液には70インチではなく20インチの高さによる圧力しかかからないため、圧力も低いはずである。
Exercise 108問題 108
Pressure cookers have been around for more than 300 years, although their use has greatly declined in recent years (early models had a nasty habit of exploding). How much force must the latches holding the lid onto a pressure cooker be able to withstand if the circular lid is in diameter and the gauge pressure inside is 300 atm? Neglect the weight of the lid.
英語のヒント
圧力鍋は300年以上前から存在するが、近年は使用が大幅に減っている(初期の型には、爆発を起こすという厄介な傾向があった)。円形の蓋の直径が、内部のゲージ圧が300 atmの場合、蓋を固定する留め金は、どれだけの力に耐える必要があるか。蓋の重さは無視せよ。
Exercise 109問題 109
Bird bones have air pockets in them to reduce their weight—this also gives them an average density significantly less than that of the bones of other animals. Suppose an ornithologist weighs a bird bone in air and in water and finds its mass is 45.0 g and its apparent mass when submerged is 3.60 g (assume the bone is watertight). (a) What mass of water is displaced? (b) What is the volume of the bone? (c) What is its average density?
英語のヒント
鳥の骨には重さを減らすための空洞があり、そのため平均密度もほかの動物の骨よりかなり小さい。鳥類学者が鳥の骨を空気中と水中で量ったところ、質量は45.0 g、水中に沈めたときの見かけの質量は3.60 gだったとする。骨の内部に水は入らないと仮定する。(a) 押しのけられる水の質量はいくらか。(b) 骨の体積はいくらか。(c) 骨の平均密度はいくらか。
Solution解き方
a. 41.4 g; b. 41.4 cm3; c. 1.09 g/cm3. This is clearly not the density of the bone everywhere. The air pockets will have a density of approximately , while the bone will be substantially denser.
英語のヒント
a. 41.4 g;b. 41.4 cm3;c. 1.09 g/cm3。明らかに、骨のどの部分もこの密度なのではない。空洞の密度はおよそだが、骨の実質部分ははるかに高密度である。
Exercise 110問題 110
In an immersion measurement of a woman’s density, she is found to have a mass of 62.0 kg in air and an apparent mass of 0.0850 kg when completely submerged with lungs empty. (a) What mass of water does she displace? (b) What is her volume? (c) Calculate her density. (d) If her lung capacity is 1.75 L, is she able to float without treading water with her lungs filled with air?
英語のヒント
水中である女性の密度を測ると、空気中の質量は62.0 kg、肺から空気を吐き切って完全に沈んだときの見かけの質量は0.0850 kgだった。(a) 押しのける水の質量はいくらか。(b) 体積はいくらか。(c) 密度を求めよ。(d) 肺活量が1.75 Lなら、肺を空気で満たしたとき、立ち泳ぎせずに浮かべるか。
Exercise 111問題 111
Some fish have a density slightly less than that of water and must exert a force (swim) to stay submerged. What force must an 85.0-kg grouper exert to stay submerged in salt water if its body density is
英語のヒント
水よりわずかに密度の小さい魚は、水中にとどまるために力を加える、つまり泳ぐ必要がある。体の密度がの質量85.0 kgのハタは、海水中に沈んだままでいるために、どれだけの力を加えなければならないか。
Solution解き方
12.3 N
Exercise 112問題 112
The human circulation system has approximately capillary vessels. Each vessel has a diameter of about . Assuming cardiac output is 5 L/min, determine the average velocity of blood flow through each capillary vessel.
英語のヒント
人の循環系には約本の毛細血管がある。各血管の直径は約である。心拍出量が5 L/minとして、各毛細血管内の血流の平均速度を求めよ。
Exercise 113問題 113
The flow rate of blood through a -radius capillary is . (a) What is the speed of the blood flow? (b) Assuming all the blood in the body passes through capillaries, how many of them must there be to carry a total flow of ?
英語のヒント
半径の毛細血管を流れる血液の流量はである。(a) 血流の速さはいくらか。(b) 体内の血液がすべて毛細血管を通るとすると、総流量を運ぶには毛細血管が何本必要か。
Solution解き方
a. . (This small speed allows time for diffusion of materials to and from the blood.) b. capillaries. (This large number is an overestimate, but it is still reasonable.)
英語のヒント
a. 。(この小さな速さのおかげで、物質が血液との間で拡散する時間を確保できる。)b. 本。(この大きな数は過大な見積もりだが、それでも妥当な範囲にある。)
Exercise 114問題 114
The left ventricle of a resting adult’s heart pumps blood at a flow rate of , increasing its pressure by 110 mm Hg, its speed from zero to 30.0 cm/s, and its height by 5.00 cm. (All numbers are averaged over the entire heartbeat.) Calculate the total power output of the left ventricle. Note that most of the power is used to increase blood pressure.
英語のヒント
安静時の成人の心臓では、左心室が流量で血液を送り出し、血圧を110 mmHg、速さをゼロから30.0 cm/sへ、高さを5.00 cm増加させる。(すべての数値は、1回の心拍全体にわたる平均値である。)左心室の総仕事率を求めよ。仕事率の大部分が血圧を高めるために使われることに注意せよ。
Exercise 115問題 115
A sump pump (used to drain water from the basement of houses built below the water table) is draining a flooded basement at the rate of 0.750 L/s, with an output pressure of . (a) The water enters a hose with a 3.00-cm inside diameter and rises 2.50 m above the pump. What is its pressure at this point? (b) The hose goes over the foundation wall, losing 0.500 m in height, and widens to 4.00 cm in diameter. What is the pressure now? You may neglect frictional losses in both parts of the problem.
英語のヒント
地下水面より低い位置に建てられた家の地下室を排水するポンプが、浸水した地下室から0.750 L/sで水を排出しており、出口の圧力はである。(a) 水が内径3.00 cmのホースに入り、ポンプから2.50 m上昇した。その点での圧力はいくらか。(b) ホースは基礎の壁を越え、高さが0.500 m下がるとともに、直径が4.00 cmに広がる。この点での圧力はいくらか。どちらの場合も摩擦による損失は無視してよい。
Solution解き方
a. ; b.
a. ;b.
Exercise 116問題 116
A glucose solution being administered with an IV has a flow rate of. What will the new flow rate be if the glucose is replaced by whole blood having the same density but a viscosity 2.50 times that of the glucose? All other factors remain constant.
英語のヒント
点滴で投与するブドウ糖溶液の流量はである。ブドウ糖溶液を、密度は同じで粘性が2.50倍の全血に替えると、流量はいくらになるか。ほかの要因はすべて一定とする。
Exercise 117問題 117
A small artery has a length of and a radius of . If the pressure drop across the artery is 1.3 kPa, what is the flow rate through the artery? (Assume that the temperature is .)
英語のヒント
小さな動脈の長さは、半径はである。動脈の両端の圧力差が1.3 kPaなら、流量はいくらか。(温度はとする。)
Solution解き方
Exercise 118問題 118
Angioplasty is a technique in which arteries partially blocked with plaque are dilated to increase blood flow. By what factor must the radius of an artery be increased in order to increase blood flow by a factor of 10?
英語のヒント
血管形成術は、プラークで部分的に塞がれた動脈を拡張して血流を増やす方法である。血流を10倍にするには、動脈の半径を何倍にする必要があるか。
Exercise 119問題 119
Suppose a blood vessel’s radius is decreased to 90.0% of its original value by plaque deposits and the body compensates by increasing the pressure difference along the vessel to keep the flow rate constant. By what factor must the pressure difference increase? (b) If turbulence is created by the obstruction, what additional effect would it have on the flow rate?
英語のヒント
プラークの沈着によって血管の半径が元の90.0%になり、体が血管に沿った圧力差を増すことで、流量を一定に保とうとする。圧力差は何倍にする必要があるか。(b) 閉塞によって乱流が生じた場合、流量にはさらにどのような影響があるか。
Solution解き方
a. 1.52; b. Turbulence would decrease the flow rate of the blood, which would require an even larger increase in the pressure difference, leading to higher blood pressure.
英語のヒント
a. 1.52。b. 乱流は血流量を減らすため、圧力差をさらに大きくしなければならず、血圧がいっそう高くなる。