水頭
水頭は、水のもつエネルギーを、水の高さ (長さの単位) に置きかえて表したものです。水のエネルギーには速度・圧力・位置の3種類があり、それぞれを高さに換算した速度水頭・圧力水頭・位置水頭があります。水の流れを考えるときの基本となる量です。
セクション別の図解
管路や水路の2点で水頭を比べ、ベルヌーイの定理を使って流速や圧力を求める設計の様子が描かれています。
水頭は、水の流れを扱う設計や計算で広く使われます。管路や水路の中の2つの地点で、それぞれの水頭を比べることで、流速や圧力の変化を求められます。ベルヌーイの定理を使えば、ある地点の水頭から別の地点の状態を計算できます。エネルギーを高さという共通の物差しにそろえているため、複雑な流れも分かりやすく扱えます。水頭は、水理学で流れを考えるときの土台となる考え方です。
速度水頭・圧力水頭・位置水頭の3つを並べ、それぞれが水のどのエネルギーを高さに換算したものかが対比されています。
水頭には3つの種類があり、もとになるエネルギーがちがいます。速度水頭は、流れる速さによる運動エネルギーを高さにしたものです。圧力水頭は、水のもつ圧力を高さにしたものです。位置水頭は、基準面からの高さそのもの (位置エネルギー) です。この3つはどれも高さの単位なので、足し合わせて比べられます。ベルヌーイの定理では、この3つの水頭の和が流れに沿って一定になります。
流線に沿って、速度水頭・圧力水頭・位置水頭の割合は変わっても、3つの和 (全水頭) は一定に保たれる様子が示されています。
水頭が便利なのは、種類のちがうエネルギーを同じ高さの単位にそろえて比べられるからです。エネルギーをすべて高さに換算すると、足し合わせたり、場所どうしで比べたりできます。粘性のない完全流体では、流れに沿って速度水頭・圧力水頭・位置水頭の和 (全水頭) が一定に保たれます。これがベルヌーイの定理です。流速が増えれば速度水頭が増え、その分ほかの水頭が減る、というように、和を保ちながら姿を変えます。