動水半径とは?
動水半径(\(R_h\))は、開水路や管路の水理計算で欠かせない重要なパラメータです。流れの断面積を潤辺(せんぺん)——流体に接している水路境界の長さ——で割った値として定義されます。動水半径は、その水路の断面形状が「どれだけ効率よく水を流せるか」を表す指標といえます。動水半径が大きいほど、流れの断面積あたりの摩擦抵抗が小さくなり、効率よく流れることを意味します。
この計算ツールの使い方
流れの断面積(A)と潤辺(P)を、単位をそろえて入力します(たとえば平方メートルとメートル)。計算ツールが A を P で割り、長さの単位で動水半径を算出します。結果が意味を持つよう、両方の入力で同じ長さの基準単位を使うようにしてください。
計算式の解説
基本となる式は非常にシンプルです。
$$R_h = \frac{\text{Area (A)}}{\text{Wetted Perimeter (P)}}$$ここで A は流れに垂直な流体断面の面積、P は潤辺——つまり境界のうち流体に接している部分のみで、水面(自由表面)は含みません。直径 D の満管状態の円管では、\(R_h = (\pi D^2/4)/(\pi D) = D/4\) となります。この値は、流速や流量を推定するためのマニング式やシェジー式にそのまま組み込まれます。
計算例
水深 2 m、幅 5 m の長方形断面の水路を例にとります。流れの断面積は\(A = 2 \times 5 = 10\ \text{m}^2\)です。潤辺は底面と両側面の合計で、\(P = 5 + 2 + 2 = 9\ \text{m}\)となります(上面は開いているため数えません)。したがって\(R_h = 10 / 9 \approx 1.111\ \text{m}\)となります。
よくある質問
水面は潤辺に含まれますか? 含まれません。流体に接している固体境界のみを数え、自由表面(水面)は除外します。
どの単位を使えばよいですか? 面積と潤辺が同じ長さの基準単位を共有していれば、どの単位でも構いません。結果はその長さの単位で表されます。
動水半径は何に使うのですか? 水路や部分的に満たされた管における流速・流量を計算する、マニング式やシェジー式の基本的な入力値として使われます。