分子運動ＣＧの限界

この記事は旧投稿記事なので修正、加筆した最新投稿　　 　　　【「分子運動ＣＧ図」に関してのお願い。】をご覧下さい。m<(_ _)>m

またまた挫折してしまいました～～～～(笑)

当初、分子の動きを「可視化する｣と言う目的で描き始めた分子運動の「３ＤＣＧ」ですが、考察を続けていくうちに、「分子レベル」の大きさの動きを「正確｣に表現することは「物理的に不可能」と言う結論に達しました。σ(^◇^；)

　　　　　　　　　　　　　　図１

まずは、気体分子の動きを「概念的」に知るために図1,2,3のような２ＤＣＧで解説図を描きましたが、原理や現象を大まかに掴むための説明には有効でも、現実の「分子の動き｣ではありません。

　　　　　　　　　　　　　　図２

しかし、概念的な流体の流れを見たり機械的な原理を理解する上では簡素化されているために、分かり易いといった面があります。

　　　　　　　　　　　　　　図３

ところが図３のように、やや分子運動的な表現になってくると２ＤＣＧでは「ビリヤードで玉突き」をしているような２次元的、平面的な動きしか表現できず｢雰囲気｣は伝わるにしても、分子の大きさや個数の比率、ましてや立体的な動きを表現しているわけではありません。

　　　　　　　　　　　　　　図４

ゆえに、以後の解説で２ＤＣＧで表現する場合は「流れの概念」を掴むための「簡易的な表現」と理解していただき、　　　「分子運動」そのものではないことの御理解をお願いします。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　左の図は分子の動きではなく単に｢分子運動の雰囲気？｣を伝えているに過ぎません。

　　　　　　　　　　　　　　図５

分子の正確な動きではないにしても、図５のように全体の流れを説明したりするのには非常に有効で、細かい分子の流れを描いて複雑になるよりも｢概念的に全体を理解する」上での「簡易表現」として利用したいと思います。

　　　　　　　　　　　　　　図６

図６では、分子運動を少しでも正確に表現するために３ＤＣＧで　模擬的な分子の動きを作ってみましたが、この場合は分子衝突を考慮していません。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　もちろん分子密度も速度も考慮していません。　　　　　　　　ただ単に「玉」が跳ね回っているだけです。　　　　　　　　　　　この時使用した説明目的が「分子には遠心力が働かない」ということを概念的に理解できれば良いと言う程度でしたので、これも分子運動の正確な表現とは言えません。

　　　　　　　　　　　　　　図７

次に、分子運動をベクトルを使って速度と分子同士の衝突も考慮した３ＤＣＧを作成しましたが、このような分子運動のＣＧを作れば、いかにも分子が衝突を繰り返しながら運動している状態を「可視化｣出来ているように見えますが、箱の容積、分子の大きさ、分子の個数の比率から考えるとまったくの　　　デタラメに近い！(笑)

　　　　　　　　　　　　　　図８

もし仮に分子同士が衝突するにしても、　　　　　　　　　　　　　１．完全に軌道が一致する確率は非常に低い。　　　　　　　　２．分子がスピンしているかもしれない。　　　　　　　　　　　　３．弾性率の条件が分からない。　　　　　　　　　　　　　　　　　など、衝突後の進む方向は図のように全方向に進む可能性があり、はっきり言えば「衝突後はどちらに進むかわからない！」という状態で｢確率｣的に方向を決めるぐらいしか手は無いと思います。

　　　　　　　　　　　　　　図９

気体分子が壁に衝突する場合も、壁を構成している分子は　振動しているのでやはり衝突した時にどちらの方向に跳ね返るか判らない状態になると思います。　　　　　　　　　　　　　　ただ、壁の場合は必ず衝突して方向が変わり、「衝突時の運動量」の大きい方から小さい方へ移るので気体分子の速度は変化すると思います。

　　　　　　　　　　　　　　図１０

前述の図５では、２ＤＣＧで分子の動きを描く「簡易表現」と書きましたが、図１０のように３ＤＣＧで立体的に表現する場合は、気体分子全部が同一方向に進むことはありえないので最小限｢動圧｣と｢静圧」を区別するような動きが必要です。

　　　　　　　　　　　　　　図１１
となると、図１１のように気体分子を出来るだけ多く描いて、各気体分子はランダムな動きをしながらそれでいて全体は同一方向に進む表現になります。　　　　　　　　　　　　　　　　　　「概念的」にはこれでいいと思います、が・・・・これは・・・　　　　　　　　　　現実の気体分子の運動を　　　　　　　　　　　　　　　　　　　正確に表現してはいないのです！！！　　　　　　　２ＤＣＧと同じように今度は、立体視したときの数多くある気体分子の中のごく少数の気体分子を拡大して見ているだけで、やはり気体分子の大きさ、速度、分子間距離、外壁などとの大きさの「比例関係」を無視して、気体分子の動きの「雰囲気」を表現しているだけなのです。

　　　　　　　　　　　　　　図１２
少しややこしい説明になってしまいましたが、左の図の分子同士が衝突するのを例にとって見ると、少しでも軌道がそれていると、図８では衝突するものが分子が小さくなると衝突は発生しないのです！！当たり前のように見えますが分子の大きさと分子間距離の比例関係から言うと、この画面での分子の大きさなら隣との分子との平均距離は１００ｍも２００ｍにもなってしまいます！　　　　　　これを全体的な視野で見ると、この画面の分子の大きさで見るなら図１１の様子を見るには「宇宙規模」並みの画面が必要になります。その逆に図１１の画面の大きさに比例した気体分子を描くと「小さすぎて見えない」つまり「透明になってしまう」と言うことなのです。

要するに、図１１の分子の動きは「ある特定の分子」を拡大して動きを見ているだけで「分子間距離」や「速度｣を無視した、ただの「分子運動の雰囲気｣を表現しているに過ぎません。

つまり、分子流れ全体の分子運動を、人は顕微鏡を使って「見る」こともＣＧで「可視化」することも物理的に不可能なのです。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　このことは気体分子一個を拡大出来ないと言う意味ではなく、拡大しても隣の分子などとの比例距離が膨大になってしまい視角に入らないのと、この拡大した分子は秒速数百メーターで移動しているため、視野内では「一瞬」で通り過ぎ、「早や過ぎて」人の目には「透明になってしまう」ため、拡大して「可視化」したとしても「見る」ことは出来ないのです。

あくまで人には、図１１のような「概念的｣な視覚効果でしか認識する方法がないのです！

この分子運動を「見る」ことができるのは、「コンピューター」だけかも知れません。

かといって、分子運動を「見る」事はできないといってしまうと実も蓋も無いので(笑)、　　　前述の事情を踏まえた上で、気体分子の「分子運動」を２、３ＤＣＧの「簡易表現」を使って

「直感的」または「雰囲気的？」な視覚効果

と言うコンセプトで「水エアコン｣の解説をしてゆきたいと思います。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上のことを十分ご理解の上、宜しくお願いします。。。。。m(._.)m 。。。

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