マリオット瓶（定水頭リザーバー）

構造と基本動作

典型的なマリオット瓶は、2本の細い管を取り付けた気密性のあるボトルまたは瓶である。一方の管は、液体が容器から出る出口として機能する。もう一方の管は上端が大気に開放されているが、下端は瓶内にあり、出口開口部とほぼ同じ高さで液体中に浸されている。出口を開くと液体が流れ始め、内部圧力は、出口と空気管の水没した下端に維持される自由表面との鉛直距離、すなわち水頭がほぼ一定となるように調整される。

この装置は、液体上部に空気だまりを閉じ込めることで機械的に機能する。液体が出口から流出すると、空気だまりが膨張または収縮し、出口の内側開口部における圧力が、大気圧に管の配置で決まる一定の静水圧成分を加えたものに対応するようになる。そのため、液面が空気管の水没した下端より低くなるまで、排出流量は瓶内に残る液体量にほぼ左右されない。

主な特性

• 能動制御を用いずに、ほぼ一定の流量（定水頭）を得られる。
• 気密性のあるリザーバーと、適切に配置された管が必要である。
• 液面が水没していた空気管の開口部より下がると、一定流量を維持できなくなる。
• 性能は液体の粘度、出口の大きさ、大気圧に左右される。

用途と例

マリオット瓶は、重力による安定した排出が必要な場面で便利である。代表的な用途には、土壌の透水試験および浸透試験で定水頭を保つこと、長時間にわたる実験室実験で試薬を一定流量で供給すること、小規模な灌漑研究における較正済みの滴下供給、ならびに流体静力学の原理とサイフォンの挙動を示す教育用実演が含まれる。大気圧と静水圧のつり合いに依存するため、中程度の流量における非圧縮性液体に最も適している。

歴史、名称と関連概念

この装置は、気体と流体の性質を研究した17世紀フランスの物理学者エドム・マリオットにちなんで名付けられた。一部の地域では、この装置と関連する気体法則が歴史的に彼の名と結び付けられている。マリオット瓶は、フロート弁、圧力調整タンク、機械式ポンプなど、一定の排出量を生み出す他の方法と概念的に関連する。しかし、受動的で幾何学的な制御を特徴とする点で区別される。動作の基礎となる圧力原理については、圧力を参照。

実用上の留意点と限界

• 漏れや不完全な密閉は、定水頭の効果を損なう。
• 出口径が非常に小さい場合や粘性の高い液体では精度が低下する。この装置は静水圧流動の条件を前提とする。
• 定期的な補充と調整を行わずに、非常に長時間にわたって厳密に計量された量を供給する用途には適さない。

要するに、マリオット瓶は、多くの実験および教育の場面で、重力供給による安定した排出を得るための低コストで堅牢な方法である。基本的な流体静力学的つり合いに基づく簡潔な仕組みは、定水頭が望まれる野外・実験室の設備において、有用な教材および実用的な構成要素となる。