鱗動進行波による推力発生の可能性について

鱗動進行波による推力発生の可能性について

著者

中山 博, 奈良迫 嘉一, 黒木 敏郎

雑誌名

鹿児島大学水産学部紀要=Memoirs of Faculty of

Fisheries Kagoshima University

巻

26

ページ

191-204

別言語のタイトル

On the thrusting-occurrence-possibility by the

movement of the scale plates

Ｍｅｍ・Fac・Fish.，KagoshimaUniv・ Vol､２６ _{ｐｐ､191∼204（1977）}

鱗動進行波による推力発生の可能性について＊

中山博*＊・奈良迫嘉一*＊・黒木敏郎**＊

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HiroshiNAKAYAMA,YoshikazuNARAsAKoandToshiroKuRoKI

Abgtract Wiggle-motionofafishcaｕｓｅｓａｎｏｐｅｎｉｎｇｔｏｂｅｍａｄｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈescalesinthedirectionof body-breadth・ Irrespectiveofthesmallbreadthoftheopening,ifthescale-risingonthebody-surfaceisslow ontheconvex-sideofthewiggle,returningquicklytothefbrmerstateontheconcave-sideofit， theoccurrenceofthrustingisassumed・ Thisthrustingissupposedtodecreasetheswimming-resistanceoffishincooperationwith thee碇ctoftheprogressive-waveofthescaleplates,runningii･omfbrwardtobackward・ Inordertoascertainthis，atwo-dimensionallarge-fish-scalｅｍｏｄｅｌｗａｓmade，ａｎｄｔｈｅｆｂｌ‐ lowingwereinvestigatedbyexperiments，existenceofthrusting-occurrence，thescopeand variations,ｅ､t､ｃ､、 Theresultsareasfbllows：− （１）Itwasobservedthattheproductionofthrustingwhichisfbllowedbyarunningof current,istobebroughtfbrthbythemovementofscaleplateswhichareopeningslowly andclosingquickly・ Ｉｔｗａｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｈｏｒｔｅｒｉｓtheperiodofthemovement，ｔｈｅねsteristhe currentrunningalongthescaleplates；ｔｈｅmaximumspeedofthecurrentbeingl４．５ｃｍ ／"‘,themaximumofthedynamicalpressureofthecurrentbeing7199.2の"伽２（７．３ ９γ､”#./‘､2)& （２）Thewaterinthewater-waybegantocirculateabout3minutesafteritstartedtomove thescaleplates，andaboutlOminuteshadpassedbefbrethecurrentwassettled． 1．緒 戸。 水中に棲む魚類が高速で泳げるのは流線形と云う基本的に流体抵抗の少ない体形であるこ

とは勿論であるが，魚の遊泳抵抗を減少させる要因が他にも色々と存在するであろうことが

考えられる． ＊本研究の要旨は昭和51年４月，日本水産学会春季大会で発表した． ＊＊鹿児島大学水産学部漁船工学研究室（LaboratoryofEngineeringofFishingVessel，Faculty ofFisheries,KagoshimaUniversity） **＊東京水産大学海洋環境測定工学講座（LaboratoryofEnvironmentallnstrumentationEnginee‐ ｒing,TokyoUniversityofFisheries）

192 _{鹿児島大学水産学部紀要第26巻（1977）} 例 え ば

1）軟体表皮による乱流発生の抑圧（受動的効果）

2）魚体表皮に浴うて高分子の粘液が分泌されることによる層流安定の確保（粘液効果）

3）吻から入った水が鯛孔から吹き出される際の噴流によるスロット効果

4）ActiveSkinによる層流安定の確保（能動的効果）

5）Flutteringfnの効果

等'）がそれである．

本論文では之迄触れられていない魚の個々の鱗板群の運動効果について推力発生の立場か

ら検討した．

魚の鱗は魚体のくねり運動に伴なって体幅方向に開きを生ずると考えられる．その量はた

とえ，わずかでも鱗がくねりの外側の体表でゆっくり持ち上がり，くねりの内側の体表で元

の状態に速やかに戻る，いわゆるquickretum運動をするとすれば，推力の発生すること

が考えられる．これは前から後へ移動する鱗板進行波の効果と相まって魚の遊泳抵抗を減少

させる要因ともなり得るであろう（Fig.１(a),(b)2))．

cｏｎｖｅｘ Fig.１(a)．Ｔｈｅ企aturesoffish-scalesonthcconcavcandconvexbody-sur血Ｃｅ． B0nyridme(cirqJIus） DErmI 1 １ Ｅ S5ue OrG MyOSGptu BIoodVes Fig､１l(b)．Sectionoffishskin，Source:GeneralBioIogicalSuppIyHouse．(ｂ （ｈｏｍＥ､Lagler．Ｅ､Bardach.Ｒ,Millerl962jmHrmrOLOGY）

193 さて鱗板の運動効果については先に著者等が行なったActiveSkin模型（ビニール膜を表

面に貼らず）の抵抗試験結果によれば3)進行波による抵抗減少は認められず反って抵抗値は

増大した．これは個々の鱗板が単振動を行うため，発生する一次流れの強さは往路も復路も

同じで方向が逆であるから互いに干渉して安定した二次流れを生じないで渦抵抗の増大をも

たらしたものとみられる．これに対し松井の論文4）の示唆によれば，鱗板がquickreturn

運動を行うとquick行程でより強い二次流れを生じ，之によって鱗板表面に亘って安定し

た二次流れの存続，従って推力発生の可能性が考えられる．

この様な仮設のもとに実験的にこれらの事実を確かめるために大型二次元鱗板模型を作り

推力発生の有無，その規模，流れの変化等を調べた．

2．実験装置と方法 大 型 二 次 元 鱗 板 模 型

構造はFig.２(a)に示す様な内外二重楕円の箱型水槽で内部楕円の直線部側壁に連接して，

No.１，No.２，No.３の順に大型鱗板３枚を取り付けてある．鱗板は縦１０c"，横１５c"，厚み

0.1c"の薄い鉄板製で隣接鱗板との重なりは６C”である．この鱗板をFig.２(b）に示す様

な揚程曲線（カム軸の回転角，零度から180度までは揚程零，180度から360度まで単弦運動

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600 中山・奈良迫・黒木：鱗動進行波による推力発生の可能性について

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Fig.２(a)．Thetwo-dimensionallarge-fish-scalemodel． Ｐｌａｎ − §ｎｒ３５'

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ムはそれぞれ120度宛ずらしてあり，その結果，鱗板は妓大附き先端にて６”刀，位相差120

度で緩附急閉の繰返し連動を行う邪がM￨来る．尚，鱗板の外側には魚の表皮に似せて，厚さ 0.0677z77zのビニール膜を被せ，鱗板の重なり６c"zの部分にもビニール膜を折り込んで府接さ

せてある（唖9.2(c))．

流れの可視化（水素気泡法） 鱗板側の水路の流れ（鱗板による推力の発生）を可視化する目的で水素気泡法5),‘),7)を用 いた． 実験では陰極線に直径0.2柳772の白金細線を用い，これを577zl7z間隔にキンク状に''１１げ水

深６c刀ｚの所に水平に設侭，陰極は水路の水の流れを乱さない様に水柑外壁に縦１６c"z，横

4c7?ｚの鋼板を貼った．水素気泡の発生には，可変直流定電圧定電流電源（PAD110-5）を使 用し両極間に直流咽圧100∼110Ｖ，電流0.1∼0.6Ａを印加した． 流 速 測 定 鱗板開閉周期0.96秒，0.46秒，0.32秒，0.25秒，0.20秒，0.17秒を設定し，Motor始動時

１９５ 流 動 圧 の 測 定

半導体小型圧力変換器（TOYODAPMS-5）を使用し，Fig.４(a）に示す様に直流増幅器

(THA三I）を通して，直記式電磁オシログラフ（TYPE-2901）で記録した．又圧力変換器を

測定個所に設置するため，バンドで固定し，それを縦３３c'"，横２ｃｍ，厚み0.3c?〃のアクリ

ル 板 の ア ー ム に 取 り 付 け た ． 測 定 は 前 述 の 水 素 気 泡 に よ る 流 速 測 定 と 同 様 ， 鱗 板 の 中 央 部 水 より20秒，４０秒，６０秒，８０秒，100秒，120秒経過毎に１秒間隔でパルス危圧を印加し，水素 気泡を流し，写真撮影により水素気泡流の長さから流速を求め静止状態からの流れの過渡現

象を調査した（Fig.３参照)．

その後５分，１０分，２０分，３０分，４０分，５０分，６０分経過毎に流速変化を求めた（Tableｌ

(a),(b)；Fig.５，６参照)．尚流速測定の写真搬影には鱗板開閉の形響を考慮して，夫々時間

差10秒の開きで２枚の写真を搬り，観測点群は鱗板外壁より５c籾,１０c加,１５c"ｚとした．又始

動後１時間までの流速測定に続いて，典に長期の流速変化を調べるため鱗板州閉周期０．４秒

での連続実験を行った．即ち，Motor始動時より10分，２０分，３０分，４０分，５０分，６０分以降

は１時間毎に水素気泡を発生させ連続45時間迄の流速変化を求めた（Table２参照)．

水素気泡流の長さを写真で読み取るために，流速測定部分の底板に１c?”間隔の方眼l｣磯

が 黒 地 に 白 く 引 か れ て い る ． 遥鍵鱗緯識鍵蕊鍵鍵蕊鱗 Ｆｉｇ．３．PhotographorHowingpattcrnmwateｒｃｈａｌｍｅｌ，Scalepe'･ｉｏｄＯ､９６ｓｅｃ・ ＡＳＡ200.1/８６１：０．１ａｍｐ.．Ｅ：ｌＯＯｖｏｌＬ 傭jジ 11.1山・奈良迫・黒木：隣動進行波による推力発生の可能性について 届 ●風偽。 ｎｍ︾ 刑Ｉ １ .IＯＢ。ニグｂ心､、１，１ 魁’

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中山・奈良迫・黒木：鱗動進行波による推力発生の可能性について 197 ５５００５０５ ７２５５２５２ ●●●●●●● ４４３５５４４

深６c"の所とし，鱗板後方１c池の所に圧力変換器を水平に設置した(Fig.４(b))．又，Ｎｏ．

1,No.２の鱗板後方の圧力測定には，すぐ後の鱗板の開閉の影響を考え，すぐ後の鱗板の最

大開きに圧力変換器の先端を合わせ模型直線部と12度の角度で設置した．尚，No.３の鱗板

後方の測定時の圧力変換器は模型直線部に平行に接触させた．鱗板開閉周期を0.60秒，０．４０

秒，0.30秒，0.24秒，0.20秒の５段階について流動圧を測定した．

測定方法は記録紙に基準目盛として，水深６c",９c加,１２c碗の静水中における水圧を記録

させ，水の密度を,ｏ〔gc加3〕として，水位3cllzの圧力差を３階〔力"/Ｃｌ?z2〕に押える．

之に対応する記録紙上の基準目盛からの変位量をａｃ籾とすると圧力変換器設置場所の流

動圧は３βg×変位〔cl7z〕/α〔c”〕物"/Ｃｌ'22〕本例では，圧力変換器の設置水深６cllzのそれを

基準目盛とした． ３．実験結果及び考察

鱗板のquickreturn運動により推力流が起こり水が循環（写真では右から左の方へ）を

始める．その時の流れの模様の１例を水素気泡流で可視化するとFig.３となる．この場合

鱗板の開閉運動によって水粒子の往復運動と渦発生との影響を受ける範囲は鱗板表面より外

側へ約６c"のあたりまであった．

各鱗板開閉周期における流速の測定結果をTableｌ(a)，（b)；Fig.５，６に示す．各鱗板

Tableｌ(a)．TherelationsbetweentheHowing-speedandthetimeelapsedin eachscale-period． ０００５００５ ５００２５５７ ●●●●●●● ３４３３５４３ ５５０５０ ５０７７０２０ ●●●●●●● ４３３２３３３ 0.32 6.95 MeasuringPoints Time Elapsed （ｍin.） ５００００００５００００００５００００００

１２３４５６１２３４５６１２３４５６

Ｇ (cｍ/sec､） Ｍｅａｎ (cｍ/sec､） ScalePeriod （sec､） Ｅ (cｍ/sec､） Ｆ (cｍ/sec､） ● Ｅ：Ｍｅａｓｕｒｍｇｖａｌｕｅｓａｔｔｈｅｐｏｍｔｓ５ｃ７７ｚａwayfromthescale.､ｗａｌｌ Ｆ：MeasuringvaluesatthepointslOｃｍａｗａｙｆｉ･omthescale-wall． Ｇ：Measuringvaluesatthepointsl5”awayfromthescale-wall． ０５００５５５ ０７００２２７ ●●●●●●● ４４５６５４５ ００００５５０ ００５０２２５ ●●●●●●● ７８８８８８８ ０５５０００５ ５２７００５２ ●●●●●●● ３６５６６５６ ４６７７６８７_{●●●●●●●}５７５２７５０ ０５０５５００ 3.94 0.96 ０００００００ ０００００００ ●●●●●●● ５７５６７７６ 0.46 5.83 ０５５００５５ ０２７５０２７ ●●●●●●● ６７５６７６７

０５

１︵ＵのいへＥｕ︶二 鹿児島大学水産学部紀要第26巻（1977） TherelationbetweenthetimeelapsedandHowing-speedateachscale-period

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ineachscale-period． Fig.５ 一→Timeelapsed（ｍｉｎ.） MeasuringPoints Time Elapsed （ｍin.） ScalePeriod （sec､） Ｅ (cｍ/sec､） Ｆ (cｍ/sec､） Ｇ (cｍ/sec､） Ｍｅａｎ (cｍ/sec､） ５皿加加如卵帥５皿別別仙卵印５川加加州卵印 6.50 6.50 6.00 5.50 ０００００００００００００ ５５０５００００５０５００ ●■●●●●●●●●●●● ７７６８８７８２１９１２９

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開閉周期における平均流速では経過時間による流速増加は認められない．又，鱗板開閉周期

0.20sec，平均最大流速9.88c碗/seｃまでは周期が短かくなる程，鱗板部の流速は増加してい

るが，開閉周期0.17sec以下になると逆に平均流速は減少している．その理由は鱗板開閉周

期が短くなると薄鉄板であるため鱗板の剛性不足と水の動圧によるたわみによって実際には

鱗板の開閉作用が充分に行われていないためと考えられる．

更に１時間以降の流速変化を調べるために行った連続実験の結果をＴａｂｌｅ２に示す.最初

48時間連続実験の予定であったが，鱗板突き棒の摩擦によるカムの摩耗が激しく，又Motor

の過熱による回転の不安定等のため45時間で実験を中止せざるを得なかった．

一般に水深６c"の水流はMotor始動後，約３分で循環し始め，流速整定まで約10分を要

した（Fig.５参照)．

次に流動圧の測定結果をTable３，Fig.７に示す．Ｎｏ．１，No.２の鱗板では閉じる瞬間，

すぐ後の鱗板が既に1/３（鱗板の先端で加加）だけ開いており，No.３の鱗板のみ完全に閉

じる事が可能である．このような装置の構造上，No.１，No.２，No.３の鱗板はそれぞれ少し

づつ運動条件が異なっており，この中で魚の鱗の重なりに近い運動を行うのは，No.２鱗板

と考えられる．この鱗板群の流動圧は，鱗板開閉周期0.40secから0.30secで急激に増大し，

0.30secから0.20secにかけて減少している．之は流速測定の所で述べた様に鱗板の剛性不足

と水の動圧によるたわみによって鱗板が開閉作用を充分に行っていないためと考えられる．

7.88 8.25 200 6.50 8.25

一般に周期が短かくなると流動圧（推力）は増加する．即ち魚の鱗がくねりの外側の体表で

ゆっくり持ち上がり，くねりの内側の体表でもとの状態にすみやかに戻る，いわゆるquick

return運動をすれば推力の発生が認められる．一方，予備実験として行ったアルミ粉による

流れの可視化でもquick行程でより早い流れが生じslow行程でそれが壊される事なく安定

したquick行程方向の流れ，いわゆる推力流れを生じている事が確かめられた．

この様に模型実験では鱗動による推力の発生が認められたが果して実際の生魚の鱗ではど

の様になるのか，１例として全長２０ｃｍのコイをウレタン１％溶液に５分間浸し，麻酔をか

けた状態で空気中に於いて，手で体幅方向に約120度前後，轡曲させた(Fig.８)．

肉眼的には鱗は長さで互いに２/3程度の重なりがあり，外側に少し凸出した轡曲面をもち

Table２．TherelationsbetweentheHowing-sｐｅｅｄａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｅｌａｐｓｅｄｉｎｔｈｅＯ､４０jFc-”dscale-period． 9.25 8.25 ｒ ｕ Ｏ ．ｎ

皿塑羽蝕妬妬”明朗別別躯羽糾駈茄師犯胡仙劉似弼牲個

7.50 MeasuringPoints MeasuringPoints Time Elapsed Time Elapsed Ｅ：Measuringvaluesatthepoints5cmawayfromthescale-wall． Ｆ：ＭｅａｓｕｎｎｇｖａｌｕｅｓａｔｔｈｅｐｏｉｎｔｓｌＯｃｍawayfromthescale-wall．● Ｇ：Measuringvaluesatthepointsl5c77zawayfromthescale-wall．

５５００００００００００５５５５５０５５０００５０７２５００５５０００００７２２７２５７７５０５７５

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鹿児島大学水産学部紀要第26巻（1977） 10.50 5.50 lＯｍｉｎ ２０ ３０ ４０ ５０ １ｈｏｕｒ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●９８６６８８８８８６７７７６７８６７７７６６

4.50 6.50 5.00

Scaleperiod （sec､） 201 中山・奈良迫・黒木：鱗動進行波による推力発生の可能性について Table３．ＴｈｅｒｅsultofthedynamicalHowing-pres‐ sureintherespectivemeasuringpoints． ０．６０ ０．４０ ０．３０ ０．２４ ０．２０ Ｍｅａｎ

４６７８２７

●●●●●●

５５５５６５

DynamicalpressureofHowinginthe point④ｏｆNo.lscalebackward． 5276.4 5468.1 5583.0 5723.6 6043.0 5618.8 Pressure Scaleperiod （sec､） (gr・wt./cm2） (gr・wt./cm2） (dyne/cm2） (dyne/cm2）

９２３３２２

●●●●●●

２４７６５５

2８１６．０ 4113.8 7199.2 6195.2 5117.8 5088.4 ０．６０ ０．４０ ０．３０ ０．２４ ０．２０ Ｍｅａｎ

９９０１１４

●●●●●●●

３３７６６５

3868.9 3868.9 6856.4 6023.8 5950.３ ５３１３．７ DynamicalpressureofHowinginthe point⑧ｏｆNo.２scalebackward． ０．６０ ０．４０ ０．３０ ０．２４ ０．２０ Ｍｅａｎ Pressure (gr.ｗt､/cm2） Scaleperiod （sec､） Pressure DynamicalpressureofHowinginthe point◎ｏｆNo.３scalebackward． (dyne/cm2）

〃

｡_‐母

／ ／ ／ ／ △ｒ

△−−−司△DynamicalpressureoffIuidinthepｏｉｎｔ

④ofNOlscaleshuttingbackward

吟 一 記 〃

⑧ofNo.２，，，，

202 ○ 一 一 一 一 ○ ノノ ダノ

◎ｏｆNo.３′′

X103 ８ A、

７６５４３２１０

︵ＮＥＵ、の匡言︶ロ一コ一一一○の﹄．いいの﹄Ｑ−ｍＵ−Ｅｍ仁湯口→１１１ "' 鹿児島大学水産学部紀要第２６巻（1977） ０．２(sec）

p

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Fig.７．TherelationbetweenthedynamicalpressureofHuidineachscaleshuttingbackward andther､p.m.ofcam（orscaleperiod)． "ノ

一=一一=雪＝雲一＝一一＝畠呂当可ぞ

100 １ ０．６ 1 5 0 ２ ０ ０ ２ ５ ０ ０ ． ４ ０ ． ３ Ｑ ２ ４

Ｒ・ｐ．ｍ．ｏｆｃａｍｓｈａｆｔ（scaIe

300(r・p.m.） −一

濡当零言宣言≦呈呈祷三,瞳房,ー

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_{．‐一望麓駕篭窯…} 墨 堅 電 嶋 一 画 印 鋒 噸 4 203 Ｐ ''1山・奈良迫・黒木：鱗動進行波による推力発生の可能性について 届Ｌ ■ま 概 癖 梯 : 燭

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§ 廷Ｉ や Ｆｉｇ．８．Photographsol､1ｈｅ庇atu1･esomBh-s〔､ａｌｃｏｎＬｈ(､〔､oｎｃａｖｃａｎｄ（､onvexbody-sulね“． （”'･”血）

蕗出部分のふちの囲りは0.5"z77z位の￨陥の表皮で被われている．コイの場合，鱗はくねり迎

動によって開きは認められないが，轡'''11ｍでは，その長さで砿いに1/2軽度（約377z7?z）のズ

レを生じ湾曲した重なり部分に極く薄い脳乍ら，水或いは粘液を含んでいる''1能性がある．

しかもこの場合は重力の支配している状態での塊象であって実際の生きている魚の遊泳状態

ではこの重力に対して水の浮力も作川している訳で推力流の発/kについて，果して空気111の そ れ と 同 じ か ど う か は 今 後 の 研 究 課 題 で あ る ， 咽 僻 庵 墾 苫 季 轟占

蕊蕊

緬蕊糖蕊

204 _{鹿児島大学水産学部記要第26巻（1977）} ４ ． 結 論

模型実験的には鱗板を緩開急閉の繰返し運動をさせる事により推力の発生が認められ，そ

の周期が短い程，鱗板部の流れは速く，最大7199.2dy"/Cm2（7.39重/c"2）の流動圧（推力）

を生じた．

今回の実験では鱗板開閉周期0.96secで平均3.94c"/sec,0.46secで5.83c"/sec,0.32secで

6.95c"/sec,0.25secで7.83c"/sec,0.20secで9.88c加/sec,0.17secで9.22c"/seｃの流速であった．

又鱗板後方で流動圧（推力）を測定した結果，No.１の鱗板後方では平均5088.4dylz/c"２，

No.２の鱗板後方では5313.7dy"/cl7z2,No.３の鱗板後方では5618.8CZy,z/c,?２２の大きさであっ

た．

又水路の水は鱗板始動後，約３分で循環し始め，流速整定まで約10分を要した．

l ） 2 ） 3 ） 4 ） 5 ） 6 ） 7 ） 文 献 奈良迫嘉一（1976）：遊泳魚体の低抵抗性に関する基礎的研究．鹿児島大学水産学部紀要Ｖｏｌ、 ２５，５１−１６９ KarlF､Lagler･JohnE・Bardach･RobertR・Miller（1962)：“ICHIHYOLOGY''108-12O 奈良迫嘉一（1969）：魚の抵抗一ActiveSkinの効果（表皮なし)−未発表 松井辰禰・永田拓（1971）：同心二重円筒間の非定常流．岐阜大学工学部研究報告Ｎｏ．21 113-123 遠藤英男・林盈司・中山泰喜（1973）：水素気ほう法による流れの観察．東京大学宇宙航空研 究所流れの可視化に関するシンポジウムＮｏ．１１３１−１３４ 三坂喜晴（1973）：水素気ほう法による水流の速度分布測定．東京大学宇宙航空研究所流れの 可視化に関するシンポジウムＮ⑪､１１３５−１３８ 奈良迫嘉一（1975）：ActiveSkinModelの抵抗試験と流れの可視化．東京大学宇宙航空研究所 流れの可視化に関するシンポジウムＮ⑪､3131-134