鱗動進行波による推力発生の可能性について III

鱗動進行波による推力発生の可能性について III

著者

中山 博

雑誌名

鹿児島大学水産学部紀要=Memoirs of Faculty of

Fisheries Kagoshima University

巻

28

ページ

131-141

別言語のタイトル

On the Thrusting-Occurrence-Possibility by the

Movement of the Scale Plates III

Ｍｅｍ，Ｆａｃ・Ｆｉｓｈ.，ＫａｇｏｓｈｉｍａＵｎｉｖ・ ＶｏＬ２８ｐｐ、131∼141（1979）

鱗動進行波による推力発生の可能性について-Ⅲ

中 山 博 ＊

OntheThrusting-Occurrence-Possibilitybythe

MovementoftheScalePlates-Ⅲ ＨｉｒｏｓｈｉＮＡＫＡＹＡＭＡ＊ Abstract Ｉｎｔｈｅｐｒｅｖｉｏｕｓｒｅｐｏｒｔ，ｕｓｉｎｇａｃａｒｐａｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌmaterial，ｔｈｅｉｍｐｏｓｓｉｂｉｌｉ− ｔｙｏｆｂｒｉｎｇｉｎｇｆｏｒｔｈｔｈｅｔｈｒｕｓｔｉｎｇ−ｐｏｗｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｏｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｌｏｗｌｙｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄｑｕicklyshuttingscale-plateswasascertainedfromboththebiologicalａｎｄｐｈｙ− ｓｉｃａｌｐｏｉｎｔｓｏｆｖｉｅｗ・ Ｎａｍｅｌｙ，ｉｔｗａｓａｓｃｅｒｔａｉｎｅｄｔｈａｔｎｏｏｐｅｎｉｎｇａｎｄｓｈｕｔｔｉｎｇｍｏｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｃａｌｅ− ｐｌａｔｅｓｔｈｅｍｓｅｌｖｅｓｗｅｒｅｔｏｂｅｂｒｏｕｇｈｔｏｕｔｂｙｔｈｅｗｉｇｇｌｉｎｇｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｉｓｈ−ｂｏｄｙ， ｂｕｔａｓｏｒｔｏｆｓｌｉｄｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｌｅ−ｐｌａｔｅｓｗａｓｔｏｂｅｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｔｈａｌｏｎｇｔｈｅｆｉｓｈ−ｂｏｄｙ− ａｘ１ｓ、 Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｎｔｈｉｓｃａｓｅ，ｔｈｅＨｏｗｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｏｎｔｈｅｆｉｓｈ−ｂｏｄｙｗａｓｎｏｔｅｄｔｏｂｅａ ｓｏｒｔｏｆｌａｍｉｎａｒＨｏｗ，withnoexfoliationaccompanied・ Ｆｒｏｍｔｈｉｓ，ｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｌｅ−ｐｌａｔｅｓｗａｓespecially broughtunderinvestigation； Namely，makinguseofacineprojectorandastroboscope，thewigglingmotionof theswimmingfish（Tilapianilotica，thefulllength26cm，ｔｈｅｂｏｄｙｈｅｉｇｈｔｌＯｃｍ） ｗａｓｅｘａｍｉｎｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅａｓｃｅｒｔａｉｎｍｅｎｔｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｗａｒｄａｎｄｂａｃｋｗａｒｄｓｌｉｄｉｎｇ−ｍｏｔｉｏｎ ｗａｓａｓｉｍｐｌｅｈａｒｍｏｎｉｃｍｏｔｉｏｎａｎｄｎｏｔａｓｌｏｗＩｙｂａｃｋｉｎｇａｎｄｒａｐｉｄｌｙｄａｓｈｉｎｇｍｏｔｉｏｎ・ Ｉｎｃontrastingtothemodel-scale-platｅｓｍａｋｉｎｇｔｈｅｓｌｏｗｌｙｏｐｅｎｉｎｇａｎｄｑuickly shuttingmotion，anothermodel-scale-platesmakinｇｔｈｅｓｉｍｐｌｅｈａｒｍｏｎｉｃ，ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄｂａｃｋｗａｒｄｓｌｉｄｉｎｇｍｏｔｉｏｎｗａｓｍａｄｅｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒ；ａｎｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｕｓｅｏｆａｌｕｍｉ− ｎｕｍｐｏｗｄｅｒ，ｔｈｅＨｏｗｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｏｎｔｈｅｓｃａｌｅ−ｐｌａtes-surfacewasputintovisualiｚａ− ｔｉｏｎ；ａｎｄ，usingthepressuretransducer，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄａｔｔｈｅ ｒｅａｒｔｉｐｏｆｔｈｅｓｃａｌｅ−ｐｌａｔｅｓｗａｓｍｅａsure。、 Consequently，ｃｏｎｔｒａｒｙｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｐｒｅｖｉｏusreport，ｎｏｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔｉｎｇ−ｐｏｗｅｒｃｏｕｌｄｂｅｎｏｔｅｄｉｎｅｉｔｈｅｒｃａｓｅ． １ ． 緒 言

前報において生魚（鯉）の場合，鱗板の緩開急閉運動による推力の発生は生物学的にも物理

学的にも困難であることを報告した． 即ち，くねりに伴う鱗板自身の開閉運動は存在せず，個々の鱗板相互間に体軸方向へのズレ が認められるのみであって，而も，この場合，魚体表面流れは層流で剥離を生じていない・こ ＊鹿児島大学水産学部漁船工学研究室（LaboratoryofEngineeringofFishingVessel，Faculty ofFisheries，KagoshimaUniversity.）

、 、 の事から今回は鱗板の往復ズレに注目，８沈沈とストロボスコープを用い，生魚（刀妙趣 "肋がαz，全長２６c伽，体高１０c”）の場合のくねり状態を調べ，鱗板の往復ズレの実体を明ら かにし，更に単振動の往復ズレを行なう鱗板模型を作り，推力発生の可能性を緩開急閉運動の 場合と比較して検討した． 2．実験装置と方法 <ねり運動の撮影 小型回流水槽内に魚の向流性を利用して，流体力学的に遊泳方向を拘束された 置，カメラを固定して撮影実験を行なった．構造はＦｉｇ．１に示す様に観察，撮鴬 て運動場の側面に透明ビニール板，天井にガラス板（のぞき眼鏡兼用）を使用した 1,た運動場を設 撮影の便を考え

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中山：鱗動進行波による推力発生の可能性について−Ⅲ 133 運動場内に全長２６ｃｍのテイラピアを入れ，その遊泳能力に応じ，流速31.25,39.95c"'／ s“の２段階の遊泳状態を選び，上方及び側面よりその全身及び部分の拡大撮影（8加汎１８ /ｳzz"０９/sｃｃ,クローズアップレンズ使用）を行ない，くねり運動による鱗のズレと，<ねり１周 期分の運動状態を１／沌加ｅづつ連続的に細かに観察，検討した．８'"”の撮影には照明用と して，ストロボスコープ（菅原研究所ＰＳ-240,閃光周波数８０∼26,500γ､ｐ肌閃光時間１２ ∼22浬s“）を使用，カメラの／沌加ｅ速度とストロボスコープの閃光周波数を同調させて撮影 を行なった．この場合，８獅加フィルムの方は１/""g送られる度にストロボスコープが１回 宛発光して撮影されるので，結局，普通のカメラを使ってフィルム連動で１秒間に１８回連続 シャッターを切った場合と同じ撮影効果を得る． 従って，通常の８獅沈撮影に比し，１/伽ｚｅ映写の場合，輪郭が鮮明でより正確な鱗のズ レの量（同一鱗についてくねりによる露出最大長さと最小長さの差）が判り，之から魚のくね り運動を鱗のズレに関して数段階に分解して解析できる．又，流向に対し魚の定位性を確認す る目的でストロボスコープによる多重撮影を行なった．即ち，魚が運動している場合，カメラ のシャッターを開放してストロボスコープの閃光（発光回数は魚の運動速度や撮影の目的に合 わせて決める）を当てて１枚のフィルムに重ねて撮影した

くねり運動についてはＦｉｇ．２に示す様に遊泳時のくねり運動が特に激しい魚体中央から後

方の部分，つまり尾部をＡ−Ｂ間とＢ−Ｃ間とに分け，それぞれの部分のくねり（体軸線に対

する傾角６，，６b）を測定し，この傾角から弧度法によって，体軸線からの振れ幅ノ｡，ノｂを求め

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実験魚には鱗のズレを測定しやすくするためにＦｉｇ．３に示す如く，魚体表面４個所に目

印をつけた．その方法は魚を麻酔（濃度１％，温度２０°Ｃのウレタン溶液に１５分間入れる）

し表皮を除去して鱗板を露出させ，アルコールで水を拭き取って脱水し，そこに油性の速乾性

赤インクで印をつけた．更に魚体表面における推力の発生状態を観察するため，表面タフト法

による流れの可視化を行なった．タフトは長さ１．５ｃｍのもので魚体表面に９個所互いに絡み

合わない間隔で貼りつけた（Fig.４参照)．材料は１本の絹の縫糸９番手を解し，よりを戻し

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前報鱗板の緩開急閉運動')の模型実験と対比するため，往復ズレ運動可能の鱗板模型を作っ

た．Ｆｉｇ．５に示す如く，鱗板の大きさ，形は前回と同じく，縦１０c加，横１５c〃，厚さ０．１ c”の鉄板製の矩形鱗板３枚を取りつけた二次元半流線形模型で前方よりＮｏ．１，Ｎｏ．２， Ｎｏ．３の各鱗板は夫々鱗接板と９”宛重なりあっている．両側のＮｏ．１，Ｎｏ．３の鱗板は 固定され，中央Ｎｏ．２の鱗板のみがカムにより往復単振動を行ない，前方向に３沈汎後方 向に３加汎計最大６沈沈のズレが可能なように作られている．又，鱗板の外側には魚の表 皮に似せて，ビニール膜（厚み０．０６沈沈）を貼り，鱗板の重なり５ｃｍの部分までビニール 膜を畳み込んで層接してある．これを小型回流水槽内に取り付け実験を行なった（Ｆｉｇ６参 照)． Unit：ｃ、 6５一 一 婦 Ｉ Ｆ Ｔｌ吃１Ｊ 中 山 ： 鱗 動 進 行 波 に よ る 推 力 発 生 の 可 能 性 に つ い て − Ⅲ 鱗板周期は０．６０sec,0.50sec,0.40sec,０．３５sec,0.30ｓｅｃの５段階とし，これに流速0, 38.21,66.05”/sｃｃを与え，圧力変換器によりＮｏ．１，２鱗板後端部の流動圧を測定，更に

静止中，アルミ粉による流れの可視化2)を行なった．即ち，水槽水深９c畑静止状態でア

ルミ粉を小量,水に混入，鱗板の単振動往復ズレの部分の流れを，鱗板周期１．０，０．３ｓｅｃに対 応して暗室内でストロボスコープを用いて，８沈加撮影及び写真撮影（多重撮影）を行なっ た． Ｆｉｇ．５Scale-platesmodel． Ｗ， ７１旧１判千 】Ｉ【

Fig.６Photographofexperlmentalapparatus（Ｓｍａｌｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｗａｔｅｒｃｈａｎｎｅｌａｎdthescale-plates model） Hｏｗ ー 3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察 〈 ね り 運 動 の 撮 影 一般に魚は遊泳中，頭部を左右に振るといわれるが，テイラピアの遊泳運動を多重撮影した 結果，今回の実験においてはＦｉｇ．７に示す如く，遊泳中尾部だけを左右に振り頭部を振るこ となく常に流向に向けている．従って，この頭部の方向を体軸線として解析をすすめた．撮影 フィルムの中から正常な遊泳状態を示す連続した１７∼１９向zz"”を選び出し，そのままくねり 運動の変化を""”順に尾部の振れ幅/",/〃で表わした．Ｆｉｇ．８で明らかなように略々左右 連続した６∼７両””でくねり運動の１周期分を示している． ビート幅はＡ−Ｂ間，Ｂ−Ｃ間のいづれにおいても遊泳速度が大きい程大きく，それも尾鰭に 近い程，その値が大きい．実験例では尾鰭のビート幅は流速31.25c77z/SCCで平均３．９c"２， 流速39.95c77z/s“で平均４．９c"２，又，ビート数も前述の流速に対･し，夫々平均２．５７，３．６ ＣＶＣﾙ/SECで遊泳速度が大きい程，大きい． 遊泳時の尾部のくねり運動は横方向速度が体軸線を左右方向に通過する時，最も大きく，通 過後次第に速度は遅くなり，くねりの両端で瞬間的に零になる所謂，単振子連動であって， ”cル””ﾂｚ運動ではない（Tableｌ参照)．この様に尾部のくねり運動が単振子運動である 事から，鱗自身は単振動の往復ズレを生ずる事になる．このズレの量はくねり連動時の尾部側 線部14枚（α∼"）の連続した各鱗の体軸方向の長さとして計られ，鱗の長さと共にズレの量 もほぼ一定している事が判った（Fig.３，Table２参照)．１４枚のズレ（露出鱗の最大長さと 最小長さとの差）の平均は流速31.25c77z/s“で０．１３c"z，39.95”z/s“で０．１０c"ｚで尾部 の屈曲が急な，遊泳速度の大きい時に鱗のズレの平均は反って多少小さくなっている（Fig.９ 参照)． 魚は体側筋の短縮によって体をくれらせ遊泳の原動力を得ており3.4)，鱗のズレの盆は遊泳 速度が大きくなると鱗の最大長さも長くなるが，一方最小長さも長くなって差引きズレの量と

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巾111：鱗動進行波による推力発/1三の可能性について−Ⅲ 1３７ 目

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驚雛鍵患 Ｈｏｗ Multiplexphotographing（Swimmingmotionof Tilapiani]otica）Ｖ：36.47ｃｍ/sec，Ｆ５．６，１/１ Stroboscope32cycle/sec，ＡＳＡ４００． Ｆｉｇ． Ｆｉｇ．８Ｓｗｉｎｇｉｎｇｒａｎｇｅｓｆｒｏｍｔｈｅｃａｕｄａｌｉｉｓｈｂｏｄｙ宮axis-line （Tilapianilotica，thefulllength26Cm） ｐ一へ、一・山一×応−妄で○口 の二一行こ○﹂↑、①、匡何﹂ ｔ ｈ ｇ−ｇ一芸のｌ←恥

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、） 中 山 ： 鱗 動 進 行 波 に よ る 推 力 発 生 の 可 能 性 に つ い て 一 Ⅲ 4 ． 結 論 生魚テイラピアの場合，得られた結果は次の通り． ○ 一 一 一 ○ ｍ ａ ｘ ， ○一一一○ｍｉｎ． 3１２５（ｃｍ/sｅｃ）

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１ ｍ①一ｍ。、↑○二急匡①ヨＡＩｌｌｌ しては小さくなっている.これは恐らく筋肉の収縮による筋肉断面の膨張が魚体表面に影響を 及ぼすものであろう．この事に関しては，今後魚体の表皮組織とその下の筋肉組織との関係と して解剖学的に詳しく調べる必要がある．又，表面タフト法による流れの可視化では魚体表面 には推力流は見られない．静止時や遊泳時のくねりの外側ではタフトは魚体表而に貼りついて 動かない状態（層流流れ）でくねりの内側では魚体中央部から後方へ行くにつれてタフトは上 下左右に強く乱れ，不規則に揺れる（渦流発生）（Fig.４参照)． 鱗板模型 単振動往復ズレの鱗板模型による流動圧の測定ではＮｏ．１，Ｎｏ．２鱗板後方１．０c77zの所 で流動圧の平均は静止中，正圧１．３９７編.ｚOｵ./cｿ7z２，負圧１．３９ﾉ'.z(ﾉｵ./”z2；流速38.21c,72/s“ の時，正圧１．５９７'.ｚ(ﾉｵ./c"z２，負圧１．２９ﾉ'．ｚ(ﾉｵ./c加2；流速66.05c伽/ＳＣＣの時，正圧１．１ ９ﾉ'.ＺＵｵ./C77Z2，負圧０．９９γ､ｚ(ﾉｵ./c"２２であった．

静止中の往復単振動のズレの場合は緩開急閉運動（流動圧の平均は正圧５．５９ﾉ'.ｚ(ﾉｵ./c77z2,負

圧１．７９７，.ｚ【ﾉｵ./α"2）に比べて，その圧力の絶対値は小さく，正圧，負圧が交互にほぼ等しい

値で発生し（Fig.１０参照）又，アルミ粉による流れの可視化実験でも写真及び8,7277ｚ映像

から鱗板後端部に周期的に水の吹き出し，吸い込み現象が見られ（Fig.１１参照)，往復単振

動のズレによっては圧力測定，流れの可視化何れの場合も推力の発生は認められなかった． 1３９ ぴ

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△ △ ハ ム 幸 一 一 一 ハム ユ 『弓／ 〆 凸 7.0 〆 （１）遊泳時の尾部のくねり運動は単振子運動であって，尾部の鱗群は単振動の往復ズレを生 ずる．ズレ（最大長さと最小長さの差）の平均は泳速31.25c”/s“で０．１３c77z,39.95”z/ＳＣＣ で０．１０ａ７ｚで泳速に無関係に略々一定，又，尾鰭のビート数，ビート幅は共に泳速に比例し て大きくなり，泳速31.25c"z/SCCで夫々平均２．５７QycJg/SCC，３．９c77z；39.95c77z/sgcで３．６ Gyc〃/scc,４．９c77z． （２）単振動往復ズレの鱗板模型では鱗板後方の流動圧は正圧，負圧が交互にほぼ等しい値で

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1.0

中山：鱗動進行波による推力発生の可能性について一Ⅲ 国 譲騒溌識鰯識熊賎i鵜篭鶏識鱗溌 Ｆｉｇ．１１ＶｉｓｕａｌｉｚｅｄＨｏｗｉｎｇａｒｏｕｎｄｔｈｅｉｉｓｈ−ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌ ｂｙａｌｕｍｉｎｉｕｍ−ｐｏｗｄｅｒ・ ScaleperiodO､３sec，Ｆ８，１/４ Stroboscope8cycle/sec，ＡＳＡ４００． 141 周期的に発生し，静止にi１，正圧１．３９γ､ＺＯｵ./C7”２，負圧１．３９７'.ｚ(ﾉｉｊ./c77z2；流速38.21”z/s“ で正圧１．５ｇｒ.Z(ﾉif./c"Z２，負圧１．２９７'・ｚＵｵ./c"22；66.05c77z/s“で正圧Ｌ１ｇｿ".ｚ(ﾉｵ./c77z2，負圧 0.997銭.ｚ(ﾉｵ./”z２．又，流れの可視化では鱗板後端部に周期的に水の吹き出し，吸い込み現象 が見られ’何れの場合も緩開急閉運動の鱗板模型の場合（正圧５．５９/鍵.zOif./c77z2，負圧１．７ 野.ｚ０ｵ./c"z２，推力流発生）と異なり推力の発生は見られなかった． （３）遊泳時のくねりの外側の魚体表面の流れが層流状態である事から，鱗のズレが魚体表而 の 流 れ を 層 流 化 し ， 抵 抗 減 少 に 寄 与 し て い る 事 が 考 え ら れ る ． 謝 辞 終りに本研究の推進に対し，暖かい指導と助言，論文とりまとめに対し，厳しい批判と討論 を戴いた奈良迫嘉一教授，更に実験並びに資料処理に絶大なる協力を戴いた佐谷守朗，平野義 孝の両学生の諸氏に，深甚の謝意を表する． 文 献 1）中山博・奈良迫嘉一・黒木敏郎（1977)：鱗動進行波による推力発生の可能性について．鹿大水紀 要，26,191-204. 2）浅沼強編（1977)：“流れの可視化ハンドブック''’194-210（朝倉書店，東京)． 3）松原喜代松他（1967)：“魚類学，,（上)，43-61（'恒星社厚生閣，東京)． 4）柳田為正訳（1963)：ＪａｍｅｓＧｒａｙ“動物の運動''’36-37（岩波書店，東京)．