STEMシミュレーションソフト：圧力、流れ、浮力、熱を見よう

変えられて、反応が見える物理

教科書では、圧力、浮力、熱伝達は図と数式です。Visariaでは、そのひとつひとつが実際に動く実験です。シーンを用意して実行を押すと、物理がご自身のグラフィックスカード上で3Dで展開します。そこでひとつ変えると、そのひとつが何をしていたのかがはっきり見えます。

中学生・高校生、大学生、教師、メイカー、愛好家、そして物事の仕組みが気になるすべての方に向いています。

このページのどの例も、考え方は同じです。変数をひとつ変え、反応を見て、元に戻す。科学者やエンジニアはこうして直感を育てます。長い計算を待たず、数秒で反応が返ってくるほど、これはずっと簡単になります。

圧力、速度、流れ

気流の中に形状を置くと、Visariaは周囲の空間を圧力または速度で色分けし、空気の行き先を示す流線を描きます。形状の前面に圧力がたまり、空気がまわりで加速し、流れが表面から剥離して、後ろに渦巻く乱れた後流ができる様子が見えます。

• 空気の速度を変えて、圧力と後流がどう反応するか見てみましょう。
• 形状を、角張ったブロックから滑らかな流線形に変えて、後流が小さくなるのを見てみましょう。
• 動く路面をオンにすると、車両の下の流れが変わります。
• 流れが落ち着くにつれて、抗力と揚力の値を読み取り、設計の挙動の目安にしましょう。

風洞と同じ考え方で、風洞そのものはありません。詳しくはバーチャル風洞のページをご覧ください。

熱が浮力を生む

温かい空気は冷たい空気より密度が低いので上昇します。だからラジエーターは部屋全体を暖め、ろうそくの炎は上に伸び、熱気球は飛ぶのです。AeroとThermalソルバーなら、これを自分の目で確かめられます。静止した空気の中に加熱した物体を置くと、そこから暖かい空気の柱が上り、下から冷たい空気を引き込みます。エンジニアはこの結果を自然対流と呼びます。

浮力は、オンとオフを切り替えられる物理効果です。オフにすると、熱は熱伝導と設定した流れだけで空気中に広がります。オンにすると、熱が自分自身の流れを生み出し、全体の様子が変わります。同じシーンで両方を比べるのが、浮力が実際に何を加えるのかを理解するいちばん早い方法です。

物理効果をオン・オフする

実際の熱伝達は、いくつもの効果が同時に起きています。固体中の熱伝導、動く流体が運ぶ対流、密度差による浮力、表面どうしの放射です。それぞれがどれだけ寄与しているかは、頭で考えてもなかなか分かりません。Visariaでは、熱ソルバーでこれらをオンやオフに切り替えて、反応を見られます。

• 熱伝導のみ。熱は材料の中をじわじわ伝わり、空気は関与しません。
• 対流を追加。動く空気が熱を運び去るので、ファンやそよ風で温度が目に見えて変わります。
• 浮力を追加。温かい空気は、ファンの有無にかかわらず自然に上昇します。
• 放射を追加。熱い表面が、間の空間を越えて周囲と熱をやり取りします。

実行結果を比べると、ある状況でどの効果がいちばん重要か、そしてヒートシンクになぜフィンがあるのかが分かります。見え方はシナリオによって変わるので、同じスイッチをほかの設定でも試してみてください。

上昇するガスと、沈むガス

浮力は両方向に働きます。空気より軽いガスは上昇して天井沿いに広がり、重いガスは沈んで床付近にたまります。AeroとGasソルバーでは、ガスを選び、入る位置と速さを決め、気流を少し加えて、煙のような柱を観察します。ラーニングハブの「浮力はどれほど強力か」というトピックから、用意されたシナリオに移動できます。

詳しくはガス拡散シミュレーションをご覧ください。

粘度がすべてを変える

粘度とは、流体がどれだけ流れに抵抗するか、つまりどれだけ「ねっとり」しているかです。定義は簡単ですが、頭に思い描くのは意外と難しいものです。Visariaでは粘度を変えて、その結果を見られます。さらさらの流体は障害物のまわりを素早く流れて渦に砕け、粘り気のある流体は滑らかでゆっくりした層になって動き、表面により長くくっつきます。同じ実験が水にも空気にも使え、後流の形、表面近くの層、流れが落ち着く様子は、粘度によってすべて変わります。

粘度を変えて同じシーンを2回試すか、同じ流体で障害物を変えてみてください。円柱と複数のブロックのまわりを流れる水は、実行ごとにまったく違って見えます。その理由を理解することが、流体力学を理解する第一歩です。

波、スロッシング、自由表面

液体と波動力学のソルバーは、水と空気の境界である自由表面を扱います。容器の注水と排水、波の発生、水が壁にぶつかって揺れたり飛び散ったりする様子、障害物の投入などを試せます。波は反射し、干渉し、砕けますが、図よりも3Dのほうがずっと理解しやすくなります。詳しくは水シミュレーションをご覧ください。

教科別の実験

• 物理：中学の理科から高校まで。動く流体の圧力と速度、流れの中の物体にかかる力、浮力、密度、波の挙動。
• 理科と熱。熱伝導、対流、放射、自然対流、材料が熱く感じたり冷たく感じたりする理由、ガスの挙動。
• 工学とものづくり。自動車、モデルロケット、橋脚、ヒートシンクの形をテストします。3DプリントやCADプログラムのSTLファイルを読み込むか、メッシュビルダーで簡単な形から作れます。
• 数学と情報。シミュレーションの仕組み：格子、境界条件、収束、そして細部を増やすほど計算量がかかる理由。学生向けCFDのページで扱っています。

構造解析（FEA）、つまり力、応力、動力学は、将来のソルバーとして計画中で、まだ利用できません。

自分で説明してくれる設計

Visariaには、デモやシナリオ設定に直接リンクするステップバイステップのガイド、豊富なツールヒント、検索できる用語集とパラメーター一覧を備えたラーニングハブがあります。さらに、アプリ内の「仕組み」ページでは、各ソルバーの動作、主要な原理とパラメーター、良い結果を得るための主な注意点の概要を説明しています。そのため、自分で進める学習にも、設定を変えると何が起きるかをクラスに見せる教師にも向いています。

正直にお伝えします

Visariaは粗いボクセル格子と、リアルタイム向けに調整されたソルバーを使うため、結果は参考値です。物理がどう振る舞うかを理解する助けとして作られており、検証済みの工学数値を出すためのものではありません。設計の承認、認証、安全に関わる判断には使わないでください。

学生、教師、試してみる

7日間無料トライアルには、Aero、Gas、Thermal、Waterの各ソルバーとラーニングハブのサンプルアクセスが含まれ、支払いカードは不要です。Visariaは13歳以上を対象としています。16歳以上で全日制で学んでいる方向けに、割引学生ライセンスをご希望に応じて提供しています（18歳未満の場合は、保護者の方が申請・購入します）。教員・講師の方は、授業、ラボ、学科向けライセンスについて education@visaria.dev までお問い合わせください。標準プランは料金をご覧ください。

まずコンピューターを確認してください。VisariaはWindowsで動作し、専用グラフィックスカードが必要です。最低でNVIDIA GeForce GTX 1050またはAMD Radeon RX 560、推奨はRTX 2060またはRX 5600 XT以上で、第8世代Intel Core i5（または同等品）と8 GBのメモリが目安です。MacとLinux版は近日公開予定です。お使いのコンピューターで問題なく動くか確かめるには、無料トライアルがいちばん手軽です。学校のコンピューターの多くは専用グラフィックスカードがないので、実際に使う予定のマシンでトライアルをお試しください。デスクトップに専用カードがない場合、性能の良い専用グラフィックスカードを150ドル未満で追加でき、これは良い投資です。全体的な性能が大きく向上し、Visariaの真価が発揮されます。