第1章：機械の物理的世界

機械は人間の労働を代替するために設計されています。しかし、多くの人々は機械の仕組みを理解していないため、機械の近くにいることに不安を感じます。この章では、本講座の以降のすべての章で登場する基本的な物理概念——力、エネルギー、仕事、動力（パワー）、圧力——を定義します。

図1-1 代表的な産業用油圧動力ユニット。ポンプ、モーター、タンク（レザーバー）、バルブは、通常このように1つのハウジング内に統合されます。

力

力とは、物体の運動状態を変化させる（あるいは変化させようとする）作用のことです。

ニュートン（N）

力のSI単位はニュートン（N）です。米国慣用単位系では、力はポンド（lbs）で測定されます。

力が運動を変化させる3つの方法

力は物体に対して以下の3つのことを行うことができます：

1. 物体の運動を開始する。
2. 物体の速度を落とす、または停止させる。
3. その移動方向を変える。

耐性

運動を遅くしたり停止させたりする力は、すべて抵抗と呼ばれます。油圧機械において最も一般的な2つの抵抗は、摩擦と慣性です。

摩擦

摩擦とは、互いに相対的に動いている（または動こうとしている）2つの物体の接触面に生じる抵抗です。

図1-3 摩擦は、2つの表面が接触し、互いに滑っている場所 anywhere で作用します。

慣性

慣性とは、物体が現在の運動状態を維持しようとする性質です。静止している物体は静止したままであり、運動中の物体は運動を続けます。慣性は質量と直接関係しており、質量が大きい物体ほど、動き始めたり停止したりするのが難しくなります。

例：鉛製の球は木製の球よりも大きな慣性を持ちます。同じ力で両方の球を蹴ると、木製の球の方が速く、より遠くまで飛ぶため、鉛製の球の方が運動の変化に対してより強く抵抗していることがわかります。

エネルギー

エネルギーとは、何かを動かす能力を持つ力を意味します。簡単に言えば、エネルギーとは仕事ができる能力です。

運動エネルギー

運動エネルギーは、物体の運動に伴うエネルギーです。動いている物体は、他のものを押して動かすことができるため、必ず運動エネルギーを持ちます。物体が重く、速く動くほど、その運動エネルギーは大きくなります。

エネルギーの形態

エネルギーは、機械的エネルギー、熱（熱エネルギー）、電気エネルギー、光エネルギー、化学エネルギー、音エネルギーなど、多くの形態で存在します。

エネルギー保存の法則

エネルギーは、決して創造されず、また消失することもありません——ただ、ある形態から別の形態へと変換されるだけです。これは物理学において最も重要な法則の一つです。

図1-6 エネルギー保存の法則：エネルギーは決して消失せず、ただ別の形態へと変換されるだけである。

エネルギー変換

コンセントから供給される電気エネルギーは、使用する装置に応じて、電球では光、ヒーターでは熱、モーターでは機械的運動、スピーカーでは音へと変換されます。エネルギーは常に保存され——単に形態が変わるだけです。

もう一つの例：ロープを滑り降りる際には、体の運動エネルギーがロープや手の熱エネルギーへと変換されます。これが摩擦によって減速し、ロープが温まる理由です。

エネルギーの状態

運動エネルギー — 動いている物体が持つエネルギー

運動エネルギーは、すでに為された仕事に相当するエネルギーであり、物体が運動しているために持つエネルギーです。ほとんどの形態のエネルギーは、有用な仕事を行う前に、運動エネルギーの状態にならなければなりません。

位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー） — 蓄えられたエネルギー

位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）とは、蓄えられたエネルギーです。適切な条件が満たされると、位置エネルギーは運動エネルギーに変換され、運動を引き起こします。位置エネルギーは、物体の物理的性質または基準点より高い位置にあることから生じます。

例：高所に設置された貯水槽内の水は、その高さによって位置エネルギーを持ち、下流へ流れることで低所で仕事を行うことができます。回路に接続されていない電池は、化学的ポテンシャルエネルギーを蓄えています。

図1-8 位置エネルギーの代表的な例：高架水槽と充電済みの電池。

エネルギー状態の変換

位置エネルギーと運動エネルギーは、自由に相互に変換されます。タワー内の水は位置エネルギーであり、それが坂を下って流れるときには運動エネルギーに変わり、容器に満たされて再び持ち上げられると、再び位置エネルギーになります。

仕事

力が物体に作用し、その物体をある距離だけ動かすときに仕事がなされます。物体が一切動かない場合、仕事はなされません。

ジュール（J）＝ニュートン・メートル（N·m）

仕事のSI単位はジュール（J）です。米国慣用単位系では、仕事はフィート・ポンド（ft·lbs）で測定されます。

仕事の公式

（J）＝（m）×（N）または（ft·lbs）＝（ft）×（lbs）

例：フォークリフトが各パレットを5フィート（1.524 m）持ち上げる際に、2,000 lbs（8,880 N）の力を加えます。パレット1個あたりにされた仕事量は次の通りです。

図1-9 仕事 = 力 × 移動距離。フォークリフトは、パレットを上げるたびに仕事を行います。

電力

仕事は常に一定の時間内に行われます。電力（パワー）とは、単位時間あたりに行われる仕事の割合、すなわち単位時間当たりの仕事量です。

電力（パワー）の公式

(W) = (m) × (N) ÷ (s) または (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

フォークリフトの例を用いると：10,000 ft·lbの仕事が5秒間で行われた場合、その出力電力（パワー）は次のとおりです。

馬力 (HP)

馬力（HP）は、インペリアル・ユニットにおける電力（パワー）の単位です。蒸気機関を発明したジェームズ・ワットは、自らの機関を実際の作業用馬と比較することでこの単位を定義しました。彼は、1頭の馬が1秒間に1フィートの距離を550ポンドの荷物を動かすことができることを発見しました。

馬力（HP）の公式

キロワット（kW）＝馬力（HP）× 0.746

フォークリフトの例：2,000 ft·lbs／s ÷ 550 ＝ 3.6 HP（＝ 2,707 W ＝ 2.71 kW）。

図1-11：ジェームズ・ワットは、作業中の馬を観察した結果、1馬力を「1秒あたり550 ft·lbs」と定義しました。

圧力

圧力とは、力の強さ（すなわち、与えられた面積に対してどの程度力が集中しているか）を表す量です。2つの物体が同じ総合力を及ぼしていても、接触面積によって生じる圧力は大きく異なります。

日常的な例：ハイヒールの靴とフラットシューズ。どちらも同一の体重を支えていますが、極めて小さなヒールの面積により、床に対する圧力は非常に高くなります。一方、フラットシューズのソールは同じ力を広い面積に分散させるため、低い圧力を生じます。誰もが、自分の足の上にヒールが当たった経験から、このことを直感的に理解しています。

圧力の公式

（Pa＝N／m²）＝（N）／（m²）または（psi）＝（lbs）／（in²）

単位換算：

• 1 bar = 10^5 N／m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14.5 psi
• 標準大気圧 = 14.7 psia = 1.01 bar = 101,000 Pa

例：底面積が100 in²（645 cm²）のブロックの重量が100 lbs（444 N）の場合、圧力 = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi（0.07 bar）。同様に100 lbsを底面積0.25 in²（1.6 cm²）の鋼製ピンに作用させた場合：100 ÷ 0.25 = 400 psi（27.6 bar）。

図1-12 同じ力でも、圧力は大きく異なる。面積が小さいほど、圧力は高くなる。

作動エネルギー

機械がエネルギーを利用する方法は、通常、圧力を通じて行われる。圧力とは、運動エネルギーが負荷の表面に作用したときに生じるものである。作動エネルギーは、運動エネルギーと圧力を組み合わせて負荷を移動させる。

作動エネルギーの変換

すべての伝達システムにおいて、負荷へ至る過程で、一部の作動エネルギーが摩擦によって損失する。この損失したエネルギーは消滅するのではなく、熱に変換される。エネルギーのうち熱に変換される割合が、そのシステムの損失であり、これがシステムの効率を低下させる要因となる。

エネルギー源での圧力は、配管、バルブ、継手などの摩擦を克服するためにエネルギーが消費されるため、負荷側の圧力よりも高くなります。

図1-13：作動エネルギーはエネルギー源から負荷へと流れます。途中で生じる摩擦により熱が発生し、負荷に到達する際の圧力が低下します。

エネルギー伝達方法

機械がエネルギーをエネルギー源から作業場所へ伝達する方法は、以下の4種類あります。

機械式伝動

エネルギーは物理的な運動（レバー、チェーン、ギア、プーリー、ベルト、カムなど）を通じて伝達されます。この場合の媒体は、エネルギー源に直接接続された可動機械部品です。

電気伝達

エネルギーは電気導体（電線）を介して伝達され、モーターやソレノイドなどの電気アクチュエータに供給されて作業を行います。

気圧伝達

エネルギーは圧縮空気の流れとして配管内を伝達され、空気シリンダーや空気モーターなどの空気圧アクチュエータに供給されて作業を行います。

ハイドロリック伝動

エネルギーは、加圧された液体（油）の流れとしてパイプ内を伝わり、油圧作動機（シリンダまたはモータ）に供給されて機械的仕事を行います。本講座全体の主題はこれです。

あらゆる機械は最終的に機械的仕事を行います。電気的・空気圧的・油圧的など、いかなる形態のエネルギーも、負荷を動かす前に作動機によって再び機械的エネルギーに変換される必要があります。それぞれの方式には長所と短所があり、多くの機械では2つ以上の方式が組み合わされています。

図1-17 油圧伝達では、エネルギーが加圧された液体として運ばれます。末端のシリンダまたはモータがそれを再び機械的力に変換します。

システム損失

実際のすべての伝達システムでは、負荷に到達する前に、一部のエネルギーが摩擦によって熱に変換されます。作動エネルギー（圧力下の運動エネルギー）は、配管およびバルブの表面に作用し、抵抗と熱を生じさせます。この損失は、供給源から負荷に至るまでの圧力低下として現れます。エネルギーは保存されますが、単に形態が変化するため、システムの効率が低下します。