Arduinoを使って液体中の流速を測定し、せん断応力の算出に活用したい場合、直接的に流速を測定するセンサが入手困難なことがあります。ここでは、手軽で実験的に扱いやすい方法を紹介します。
1. 流速測定のための代表的なセンサ
流速センサにはいくつかの方式があります。Arduinoで扱いやすいものを選ぶと、実験がスムーズです。
- タービン式流量センサ：液体にプロペラを設置し回転速度から流速を算出
- ホールセンサ内蔵の小型流量計：磁気回転を検知してArduinoで読み取り可能
- 超音波ドップラー式センサ：流体内の微粒子の動きで速度を計測（非接触型）
- 熱式ワイヤーフローメータ：熱損失の変化から流速を推定
2. 代替的な簡易測定方法
精密な流量センサがなくても、実験的に流速を推定できます。
- 浮遊物トラッキング：ビー玉や小片を液面に浮かべ、一定距離を移動する時間を計測して平均流速を算出
- 染色法：着色液を一定量注入し、移動距離と時間から流速を計算
3. Arduinoでのデータ取得
タービン式やホールセンサ付き流量計であれば、デジタル入力ピンでパルス信号を読み取り、回転数を計算することで流速に換算できます。
例えば。
- 1秒間のパルス数 → プロペラ回転数
- 回転数 × キャリブレーション係数 → 流速（m/s）
4. 流速データからせん断応力を算出
液体の粘度が既知であれば、流速データと流体力学の式を用いてせん断応力を求めることが可能です。単管内の流れの場合、ニュートン流体と仮定してτ = μ(dv/dy)の式を使えます。
5. まとめ
Arduinoで液体の流速を測るには、タービン式やホールセンサ内蔵流量計が手軽です。簡易的には浮遊物や染色法でも測定可能です。取得した流速データを元にせん断応力を算出するためには、液体の粘度と流れの形態を理解しておくことが重要です。
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