2026年版・3-2

連続の式とベルヌーイの定理の一問一答

消防設備士試験(甲種第1類)「基礎的知識(機械)」から、連続の式とベルヌーイの定理に関する4択問題を10問。「答えと解説を見る」を開くと、正解とその理由がその場で読めます。会員登録は不要です。

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問題

上から順に解いてみてください。答えは各問の下で確認できます。筆記試験は本試験と同じ四肢択一です。記述式の実技(鑑別・製図)の論点も、ここでは4択に置き換えて出題しています。

問13-2
内径200mmの管から内径100mmの管へ水が満水で流れている。内径200mmの部分の平均流速が1m/sのとき、内径100mmの部分の平均流速として正しいものはどれか。
  • ①2m/s
  • ②0.5m/s
  • ③8m/s
  • ④4m/s
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正解 ④4m/s
解説
満水で流れる水の流量は、管のどの断面でも同じです(連続の式:Q=A₁v₁=A₂v₂)。
断面積は内径の2乗に比例するので、内径が200mmから100mmへ2分の1になると、断面積は4分の1になります。
流量が同じなので、流速は4倍の4m/sになります。

他の選択肢が誤りである理由
・「2m/s」は誤りです。2m/sは、流速が内径に反比例すると考えた誤りです。流速は断面積(内径の2乗)に反比例します。
・「0.5m/s」は誤りです。0.5m/sは、細くなると流速が遅くなると考えた誤りです。
・「8m/s」は誤りです。8m/sは、内径の3乗に反比例させるなど、比を誤った値です。

覚え方のポイント
「流速は内径の2乗に反比例」。内径1/2なら流速4倍、内径2倍なら流速1/4です。
問23-2
内径100mmの管の中を、水が平均流速2m/sで満水で流れている。このときの流量として、最も近いものはどれか。ただし、円周率は3.14とする。
  • ①約0.94m³/min
  • ②約0.47m³/min
  • ③約1.88m³/min
  • ④約9.4m³/min
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正解 ①約0.94m³/min
解説
流量は Q=A×v(断面積×流速)で求めます。
断面積 A=3.14×(0.1m)²÷4=0.00785m² なので、Q=0.00785m²×2m/s=0.0157m³/s です。
1分間では 0.0157×60≒0.94m³/min(約940L/min)となります。

他の選択肢が誤りである理由
・「約0.47m³/min」は誤りです。約0.47m³/minは、流速を1m/sとして計算した値です。
・「約1.88m³/min」は誤りです。約1.88m³/minは、流速を4m/sとして計算した値か、断面積を2倍に見積もった値です。
・「約9.4m³/min」は誤りです。約9.4m³/minは、桁を1つ大きく見積もった値です。

覚え方のポイント
流量=断面積×流速。断面積は「π×内径²÷4」。秒(m³/s)を分(m³/min)に直すときは60を掛けます。
問33-2
ベルヌーイの定理を水頭で表した式として、正しいものはどれか。ただし、pは圧力、ρは密度、gは重力加速度、vは流速、zは基準面からの高さとする。
  • ①p×ρg + v²×2g + z = 一定
  • ②p/ρg + v/g + z = 一定
  • ③p/ρg + v²/2g + z = 一定
  • ④p + v + z = 一定
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正解 ③p/ρg + v²/2g + z = 一定
解説
ベルヌーイの定理は、粘性のない流体(完全流体)が定常的に流れるとき、1本の流線に沿って「圧力水頭」「速度水頭」「位置水頭」の和が一定になる、というエネルギー保存の法則です。
圧力水頭は p/ρg、速度水頭は v²/2g、位置水頭は z で、いずれも長さ(m)の単位になります。
実際の流れでは、これに摩擦などによる損失水頭を加えて計算します。

他の選択肢が誤りである理由
・「p×ρg + v²×2g + z = 一定」は誤りです。圧力に ρg を掛けたり、v² に 2g を掛けたりするのではなく、ρg・2g で割ります。
・「p/ρg + v/g + z = 一定」は誤りです。速度水頭は v²/2g で、流速の2乗を使います。
・「p + v + z = 一定」は誤りです。単位がそろっておらず、ベルヌーイの定理の式ではありません。

覚え方のポイント
ベルヌーイ=「圧力水頭 p/ρg + 速度水頭 v²/2g + 位置水頭 z = 一定」。どの項も単位はmです。
問43-2
管内を流速4m/sで流れる水の速度水頭として、最も近いものはどれか。ただし、重力加速度は9.8m/s²とする。
  • ①約0.41m
  • ②約0.82m
  • ③約1.63m
  • ④約8.2m
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正解 ②約0.82m
解説
速度水頭は v²/2g で求めます。
v²/2g=4²÷(2×9.8)=16÷19.6≒0.82m となります。
速度水頭は、流れの速さが持つエネルギーを、水を持ち上げる高さに換算したものです。

他の選択肢が誤りである理由
・「約0.41m」は誤りです。約0.41mは、2gではなく4gで割ったなど、計算を誤った値です。
・「約1.63m」は誤りです。約1.63mは、2で割るのを忘れた値(16÷9.8)です。
・「約8.2m」は誤りです。約8.2mは、桁を誤った値です。

覚え方のポイント
速度水頭=v²÷2g。流速を2乗するのを忘れたり、2で割るのを忘れたりするのが典型的なミスです。
問53-2
水槽の水面から深さ5mの位置にある側壁の小さな穴から水が流れ出るとき、理論上の流出速度として最も近いものはどれか。ただし、重力加速度は9.8m/s²とし、水面の高さは変わらないものとする。
  • ①約7.0m/s
  • ②約9.9m/s
  • ③約49m/s
  • ④約98m/s
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正解 ②約9.9m/s
解説
トリチェリの定理により、水面から深さhの穴から流れ出る水の理論上の速度は v=√(2gh) です(ベルヌーイの定理から導かれます)。
v=√(2×9.8×5)=√98≒9.9m/s となります。
実際の流出速度は、穴の形による損失のため、この値より少し小さくなります。

他の選択肢が誤りである理由
・「約7.0m/s」は誤りです。約7.0m/sは、√(gh)で計算し、2を掛け忘れた値です。
・「約49m/s」は誤りです。約49m/sは、平方根をとらずに g×h で計算した値です。
・「約98m/s」は誤りです。約98m/sは、平方根をとらずに 2gh で計算した値です。

覚え方のポイント
「v=√(2gh)」。物を高さhから落としたときの速さと同じ式です。平方根をとるのを忘れないようにしましょう。
問63-2
ピトー管に関する記述として、正しいものはどれか。
  • ①管の途中を細くして、圧力差から流量を測定する装置である
  • ②流体の温度を測定して、流量を求めるための装置である
  • ③流れの全圧と静圧の差(動圧)から、流速を測定する装置
  • ④ポンプの吸込側の圧力が大気圧より低いかどうかを調べる装置
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正解 ③流れの全圧と静圧の差(動圧)から、流速を測定する装置
解説
ピトー管は、流れに向けた穴で受ける「全圧(静圧+動圧)」と、流れに平行な穴で受ける「静圧」の差から動圧(ρv²/2)を求め、流速を測定する装置です。
ベルヌーイの定理を利用した計測器で、消火栓やスプリンクラーの放水圧力の測定にも、ピトーゲージとして使われます。

他の選択肢が誤りである理由
・「管の途中を細くして、圧力差から流量を測定する装置である」は誤りです。管の途中を細くして圧力差から流量を測るのは、ベンチュリ管(ベンチュリ計)です。
・「流体の温度を測定して、流量を求めるための装置である」は誤りです。温度から流量を求める装置ではありません。
・「ポンプの吸込側の圧力が大気圧より低いかどうかを調べる装置」は誤りです。ポンプの吸込側の圧力を調べるのは連成計などです。

覚え方のポイント
ピトー管=「全圧−静圧=動圧 → 流速」。放水試験で使うピトーゲージも、この原理で放水圧力を測ります。
問73-2
図のようなベンチュリ管で、水が左から右へ満水で流れている。太い部分①と細い部分②に立てた細い管の水面の高さに差が生じる理由として、正しいものはどれか。
① 太い部分② 細い部分流れ
  • ①細い部分②では流速が大きくなり、その分だけ圧力(静圧)が小さくなるため
  • ②細い部分②では流速が小さくなり、その分だけ圧力(静圧)が大きくなるため
  • ③細い部分②では管の摩擦が大きく、水が細い管を上れなくなってしまうため
  • ④太い部分①には、細い部分②より多くの水が流れている状態となるため
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正解 ①細い部分②では流速が大きくなり、その分だけ圧力(静圧)が小さくなるため
解説
連続の式により、断面積の小さい②では流速が大きくなります。
ベルヌーイの定理により、同じ高さで流速(速度水頭)が大きくなると、その分だけ圧力水頭(静圧)は小さくなります。そのため、②に立てた管の水面は①より低くなります。
この水面の高さの差(圧力差)から流量を求めるのが、ベンチュリ管(ベンチュリ計)です。

他の選択肢が誤りである理由
・「細い部分②では流速が小さくなり、その分だけ圧力(静圧)が大きくなるため」は誤りです。細い部分では流速は大きくなります。小さくはなりません。
・「細い部分②では管の摩擦が大きく、水が細い管を上れなくなってしまうため」は誤りです。水面の差の主な原因は摩擦ではなく、流速の増加による静圧の低下です。
・「太い部分①には、細い部分②より多くの水が流れている状態となるため」は誤りです。満水で流れる水の流量は、太い部分と細い部分で同じです(連続の式)。

覚え方のポイント
ベンチュリ管は「細い所=速い=圧力が低い」。ベルヌーイの定理の代表的な応用例です。
問83-2
水平に置かれた管で、断面積が小さくなる部分を水が満水で流れるときの変化として、正しいものはどれか。ただし、損失は考えないものとする。
  • ①流速は小さくなり、圧力(静圧)は大きくなる
  • ②流速も圧力(静圧)も、ともに大きくなる
  • ③流速も圧力(静圧)も、ともに変わらない
  • ④流速は大きくなり、圧力(静圧)は小さくなる
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正解 ④流速は大きくなり、圧力(静圧)は小さくなる
解説
連続の式により、断面積が小さくなると流速は大きくなります。
水平な管では位置水頭が変わらないので、ベルヌーイの定理により、速度水頭が増えた分だけ圧力水頭(静圧)が小さくなります。

他の選択肢が誤りである理由
・「流速は小さくなり、圧力(静圧)は大きくなる」は誤りです。断面積が小さくなると、流速は大きくなります。
・「流速も圧力(静圧)も、ともに大きくなる」は誤りです。速度水頭が増える分、静圧は小さくなります。両方が大きくなることはありません。
・「流速も圧力(静圧)も、ともに変わらない」は誤りです。断面積が変われば流速が変わり、それに応じて静圧も変わります。

覚え方のポイント
「細くなる → 速くなる → 圧力が下がる」。この3段の流れで覚えると、ベンチュリ管・キャビテーションの理解につながります。
問93-2
ポンプの羽根車の入口付近などで、水の圧力が局部的にその温度の飽和蒸気圧以下に下がり、気泡が発生する現象として正しいものはどれか。
  • ①ウォーターハンマー
  • ②サージング
  • ③キャビテーション
  • ④エアバインディング
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正解 ③キャビテーション
解説
キャビテーション(空洞現象)は、流速の増加などで圧力が局部的に飽和蒸気圧以下に下がり、水が沸騰して気泡が発生する現象です。
気泡が圧力の高い所でつぶれるときに、騒音・振動が起こり、羽根車の表面が壊食されたり、揚水ができなくなったりします。
吸込み揚程を小さくする、吸込管を太く短くするなどの対策がとられます。

他の選択肢が誤りである理由
・「ウォーターハンマー」は誤りです。ウォーターハンマー(水撃作用)は、弁の急閉などで流れが急に止まり、管内の圧力が急上昇する現象です。
・「サージング」は誤りです。サージングは、ポンプや送風機を小流量で運転したときに、圧力や流量が周期的に変動する現象です。
・「エアバインディング」は誤りです。エアバインディングは、ポンプ内に空気がたまって水を送れなくなる現象で、気泡の発生と崩壊によるものではありません。

覚え方のポイント
「キャビテーション=圧力低下で気泡」「ウォーターハンマー=急閉で圧力上昇」「サージング=小流量で脈動」。ポンプのトラブル3点セットです。
問103-2
消火栓のノズルの口径が13mm、ノズルの先端の放水圧力が0.1MPaのとき、放水量 Q=0.653D²√(10P)(Q:L/min、D:mm、P:MPa)で求めた値として、最も近いものはどれか。
  • ①約110L/min
  • ②約85L/min
  • ③約144L/min
  • ④約349L/min
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正解 ①約110L/min
解説
ノズルからの放水量は Q=0.653×D²×√(10P) で求めます(D:ノズル口径mm、P:放水圧力MPa)。
D²=13²=169、√(10×0.1)=√1=1 なので、Q=0.653×169×1≒110L/min となります。
この式は、流量係数を約0.98として、Q=流量係数×ノズル断面積×流速(√(2P/ρ))から導かれたものです。

他の選択肢が誤りである理由
・「約85L/min」は誤りです。約85L/minは、口径を約11.4mmとして計算した値で、口径13mmの2乗(169)を使っていません。
・「約144L/min」は誤りです。約144L/minは、放水圧力を0.17MPaとして計算した値です(110×√1.7≒110×1.304≒144)。
・「約349L/min」は誤りです。約349L/minは、√(10P)のPを抜かして√10を掛けた値で、計算を誤っています。

覚え方のポイント
放水量は「圧力の平方根に比例」「口径の2乗に比例」。圧力を4倍にしても放水量は2倍にしかなりません。

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※本ページの問題・解説は、生成AI(人工知能)を活用して作成しています。

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