ボイラーを加熱して温度が水の沸点以上になると、水は沸騰し、蒸気の圧力で、管内の水を開口部方向へ押し出す。 ボイラーより出て管内へ入った蒸気は冷却されて凝縮するため、管内の圧力が低下し、水をボイラー方向に引き戻す。 引き戻された水の一部がボイラー内に入ると、再度加熱されて蒸発し、再び水を押し出すという動作が繰り返され、 管内では水が持続して往復運動（以下自励振動と呼ぶ）をし、開口部から水の噴出・吸入が繰り返される。

最近はアルミニウムや銅の細管を利用して図2 のように管をコイル状に巻いて、ボイラー部を作り、 おもちゃのポンポン船と同じ動きをする模型ポンポン船（以下ポンポン船と呼ぶ）を簡単に作ることができる。

　　 図2　模型ポンポン船

このポンポン船はエネルギー変換や蒸気の力等の教材として利用されているが、生徒達はその動きに強い興味・関心を示して、 積極的に製作に取り組み、さらに高性能なものを製作しようと、種々の工夫やアイデアを提案してくる。 その提案の中で「もっと大きなものを作りたい」「できれば自分達が乗れるような船を作ってみたい」という内容がきわめて多かった。 そこで、生徒達の夢を実現するべく、ポンポン船を大型化する方策を検討し、人が乗って走行可能な大型船を製作した。　

　

　　２．大型ポンポン船の製作

　大型のポンポン船を作るためには、使用する金属管を太くする必要がある。 金属管を太くすると、細管のように金属管をコイル状に加工することは特別な設備がないと困難である。 筆者らが先に行った研究 当HPのポンポン船１参照 ：以下先の研究と呼ぶ）では、一端を封じた直管の封じた部分附近を加熱すると、 自励振動を起すことを実証しているので、大型化には金属直管を使用することにした。

　先の研究で、自励振動は管の内径が5mm以下の場合は安定して発生するが、管の内径を大きくすると、 安定して発生しなくなることが判明している。この原因は、管径を大きくすると、管内を往復運動する水の動きが乱れるために、 加熱部へ戻ってくる水の量が不規則になって、一定量の蒸気が周期的に発生しなくなるためと考えられる。

このため、太い管で安定した自励振動を発生させるには、往復運動する水から蒸気を発生させるのではなく、 別の方法で加熱部へ一定量の水を自励振動の周期に連動させて、定期的に供給すると、 安定した自励振動が得られるのではないかと考えて、図３のような装置を作って実験した。

　この装置では注水槽内の水は注水管を通って加熱部へ通じており、加熱部で蒸気が発生して、管内の圧力が高くなると、 注水管の水は注水槽方向へ押し戻される。管内の蒸気が冷却されて凝縮し、管内の圧力が低下すると、注水管から加熱部へ水が供給される。 注水槽の高さと注水管の太さを適当に調節すると、管内の自励振動の周期に連動して適当量の水を加熱部へ確実に供給できるので、安定した自励振動が得られる。　　

図３　　大型管実験装置

　今回の実験では注水管には外径3mm、内径1mmのアルミニウム管を用い、水が自励振動する管（以下動水管という） には外径19mm、内径17mm、長さ1000mmのアルミニウム管を用いた。実験用のガスバーナで加熱部を加熱すると、 1sec前後の周期で安定した振動が観察され、水槽中の動水管の先端からは勢いよく水が出入りする様子が観察された。

　以上の結果を受けて、大型ポンポン船の製作を行った。長さ約１ｍの板で、船体を作り、 図４のように、船体の中央部より前寄りに動水管を支える板を立て、外径19mm、長さ1300mmのアルミニウム管３本を平行に並べて固定した。 加熱部の上部より注水管を挿入し、注水槽と注水管は軟質ビニールパイプで繋いだ。 加熱には携帯ガスボンベに着けるバーナーを用いた。

　　　

図４　大型ポンポン船の構造

　　　　　　　　　　　　　　　　

完成した大型ポンポン船を公園内の水路に浮かべて試走させたところ、人がゆっくり歩く程度の速度で、水面を走行した。 この実験の結果、金属管の太さ、本数を増やすと、さらに大きな船を動かすことが可能であると考えられる。　

　

　

　　 ３．大型ポンポン船の作動安定化

（１）　冷却管の取り付け

　大型ポンポン船の出力を大きくしようとして加熱を強くして、走行実験を長時間繰り返していると、自励振動が徐々に不安定になってくる。 この現象を解明するために、動水管外側表面の温度分布を放射温度計(MINOLTA505S)を用いて詳細に観察すると、 加熱開始直後は加熱部附近の温度は240℃、加熱部よりの距離が200mmでは160℃、300mmでは100℃前後になり、 それより開口部方向では100℃以下になっている。その後、加熱を続けると、加熱部附近の温度は変化しないが、 100℃前後の温度部分が徐々に加熱部より開口部方向に移動し、加熱部からの距離が700mm以上になると自励振動が不安定になることが分かった。 この結果から、加熱開始直後の動水管中では加熱部で蒸発した水蒸気は加熱部から300mm附近で凝縮し、この部分を先端に管内の水が往復運動していると推測できる。 加熱を続けると、加熱部附近の熱が開口部方向に伝導し、管の温度は開口部方向へ向かって上昇するため、水蒸気が凝縮する部分は開口部方向に移動する。 このため、往復運動する水の先端も開口部方向に移動して行くと考えられる。

　先の研究で、加熱部から開口部までの距離が短くなると自励振動が不安定になるという結果が得られているので、 以上の実験結果は動水管内を往復運動する水の部分が一定距離以下になると自励振動は不安定になるものと推定できる。

この現象は加熱部での加熱量が管の空気中への放熱量を上回っている場合に発生すると考えられるので、加熱量を大きくするためには、 管の冷却を空中への自然放熱ではなく、水冷等の強制冷却を取り入れなければならない。 このため、動水管に図５のような水冷用の冷却管を設置して、水冷による強制冷却を行うと、動水管内の蒸気が凝縮する場所が一定となり、 動水管内の水の振幅を一定にすることができ、長時間安定した自励振動が得られた。