問題文
次の文章は、水車の比速度に関する記述である。
比速度とは、任意の水車の形(幾何学的形状)と運転状態(水車内の流れの状態)とを (ア) 保って、大きさを変えたとき、単位落差(1m)で単位出力(1kW)を発生させる仮想水車の回転速度のことである。
水車では、ランナの形や特性を表すものとしてこの比速度が用いられ、水車の (イ) ごとに適切な比速度の範囲が存在する。
水車の回転速度を \(n \ [min^{-1}]\)、有効落差を \(H \ [m]\)、ランナ1個当たり又はノズル1個当たりの出力を \(P \ [kW]\) とすれば、この水車の比速度 \(n_s\) は、次の式で表される。
\[ n_{s}=n\cdot\dfrac{P^{\frac{1}{2}}}{H^{\frac{5}{4}}} \]
通常、ペルトン水車の比速度は、フランシス水車の比速度より (ウ) 。
比速度の大きな水車を大きな落差で使用し、吸出し管を用いると、放水速度が大きくなって、 (エ) が生じやすくなる。そのため、各水車には、その比速度に適した有効落差が決められている。
上記の記述中の空白箇所(ア), (イ), (ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
選択肢
比速度は、水車の幾何学的形状を **(ア) 相似に** 保ったまま大きさを変え、単位落差1mで単位出力1kWを発生させるときの回転速度です。
この値は水車の **(イ) 種類（形式）** や形状特性を表します（選択肢では「大きさ」となっていますが、文脈的には形状のタイプ＝種類ごとの特性を示唆しています。ただし選択肢の構成上、比速度の定義における「大きさを変えたとき」という文脈に対応する語句の可能性もありますが、正答の組み合わせから判断します）。
ペルトン水車（高落差・低流量）の比速度は、フランシス水車よりも **(ウ) 小さい** です（ペルトン：低 \(n_s\)、フランシス：中 \(n_s\)、カプラン：高 \(n_s\)）。
比速度の大きな水車を高落差で使うと流速が速くなりすぎ、圧力低下による **(エ) キャビテーション**（空洞現象）が生じやすくなります。
※選択肢4の「大きさ」は、原文の「(イ)ごとに」の文脈に対して少し不自然ですが、他の要素（相似、小さい、キャビテーション）が合致するのは選択肢4のみです。