父親として知っておきたい理科の常識

子供が父親に理科的な質問をしてきたとき、その質問にちゃんと答えらえるように
することが目的で書かれた本。

・どーして、夏は暑いの?
・どーして、テレビは映るの?ラジオは聴けるの?
・どーして、ICカードで改札を通れるの?
・食べ物が腐るって、どういうことなの?
・どーして寒くなると風邪を引くの?
・どーしてわたしはさそり座なの?
・カロリーって、何の単位なの?
・どーして金メダルは石と違ってピカピカなの?
・どーしてあたしはパパと似てるの?

といった質問を子供がしてきて、パパがその質問に答えるといった形式で
記載されている。

私も理系本を読んでこのブログに記事として書いているので、平均的な理
系のおじさんよりも、こういった質問に答えられる自信はある。

夏が暑い理由や、冬に風邪を引く理由、子供が父親に似る理由なら、誰で
も答えられると思うが、金メダル(金属)がピカピカな理由やICカードで改札
が通れる理由などちょっと踏み込んだ理系の知識が必要な質問にも一応
答えることができる。

ただし、これは相手が大人だったらの話で、子供相手で、しかも正確に答え
ようとすると結構難しいと思う。

この本でも、親子の会話を通して父親が解説しているものの、内容は大人
向きの解説だった。
子供にもレベルがあるので、小学校1年生の質問と中学校3年の質問では
答え方が違ってくるし、小学校1年生向けの解説の本など大人が読んでも
面白くないのでこういう内容になるのはやむを得ないのだろう。

しかし、大人が知識を得るうえで、子供がしそうな素朴な疑問に対してちゃん
と解説されているので、なかなかためになる本だった。



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[ 2017年05月12日 04:07 ] 物理 | TB(-) | CM(2)

明るさの物理量2(ルーメンとカンデラとルクス)

明るさの単位として、ルーメン、カンデラ、ルクスという単位がある。

ルーメンを光束、カンデラを光度、ルクスを照度というが、これだけ言われても
いまいちピンとこない。

わかりやすくするためには、これらを図示すると良いが、図で書く場合、ルー
メンを全方向に放射される光の総量(全光束)ととらえるか、単位立体角(1
ステラジアン)に放射される光の量ととらえるかで違う図になってしまう。

次の図(図1とする)がルーメンを全光束ととらえる場合である。
lumen1.jpg

ルーメンを全光束ととらえると、ルーメンを表す光源は量をイメージされるのに
対し、カンデラを表す円錐はそこを照らしている光の密度を指してしまっている
ため、個人的には直感的な図ではないと思う。

これらの関係を紹介するサイトを色々と見てみたが、サイトによっては全光束
のことを光束としていたりして、説明者自信がよくわかっていないのではない
かと思ってしまう。(読む方はもっと混乱する)


次の図(図2とする)がルーメン国際単位系 (SI)をベースにイメージした
ものである。
lumen2.jpg

この時、カンデラがその光自体の強さを表し、ルーメンは照らされた円錐自体
が量のイメージになるので、個人的には直感的である。

あとルクスは、照度で光から1m離れた場所から照らした平面の明るさは、
2m離れた場所から照らした平面の明るさの1/4、
3m離れた場所から照らした平面の明るさの1/9
となる。

明るさと面積が比例していることがわかる。

ちなみに、ルーメン、カンデラ、ルクスの関係は以下の通りとなる。

[lx] = [lm] / [m2]
[lm] = [cd][sr]

lm:ルーメン、cd:カンデラ、lx:ルクス、sr:ステラジアン

ステラジアンについては以前ブログに書いたとおりの単位である。

ラジアンとステラジアン
http://yama2190.blog.fc2.com/blog-entry-2343.html


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[ 2017年05月09日 04:09 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

明るさの物理量1(ルーメンとワット)

電球など滅多に買うものではないが、先日電球を買うことがあった。

最近は昔ながらの白熱電球はあまり売っておらず、電球コーナーの売り場面積
はほとんどLED電球で占められていた。

白熱電球の場合、100Wという単位が明るさの単位で書かれていたのに対し、
LED電球をみると「100W型相当」という表示がされて、併記される形で、
「明るさ(全光束)1,550lm」と書かれたりする。

Wは皆様おなじみのようにワットと呼ぶ。lmはルーメンと呼ぶ。

他にも、自転車のライトの明るさはcd(カンデラ)という単位が使われていたり
する。

明るさについて、Wやら、lmやら、cdなどいろいろな単位がありよくわからな
くなってきたので調べることにした。

Wは仕事率であり、必ずしも明るさを表す単位ではない。

電球やLED電球では消費電力を示しているが、効率も違うため、同じ明るさで
も消費電力が異なる。

消費電力を明るさの単位にするのは無理があったが、長い間消費電力の単位
を明るさの単位として使ってきたこともあり「W相当」という単位が出てきた。

また、LED電球が市場に出始めたころは、このW相当の基準が定めらていな
かったため、各メーカーが独自に基準を定められていた。

白熱電球は形がほぼ球形なのに対し、LED電球は必ずしも球形ではなく一方
向のみを照らしたりするものがあり、100W相当といっても真下の明るさだけ
をもとにしたりして、白熱電球と比べて暗いということで問題になったことがあ
り、別の全光束のルーメンという単位で統一される異なったのである。

またルーメンという単位は、ワットとは違い、ヒトの視覚が感じる度合いが考慮
されるので、波長毎に重み付けされたものである。
(同じワットでも波長λ=555nmの緑色の光が一番明るく感じる。)

(そういえば2010年のエンベデッドシステムスペシャリスト試験の午後1の問3でも
 この手の問題が出てたな。)


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[ 2017年05月08日 04:11 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

大人が知っておきたい物理の常識

このブログをやるようになってから、物理の本は事あるごとに読んでいる
ので、書かれていることの殆どは既に理解しているものだった。

図解が多くわかりやすいので、もう何年も物理から遠ざかっている理系
のおやじが、懐かしんで読むのにはいいのかも知れない。

ガッツリ読むのではなく、ななめ読みで読んだが、力学の基本的なところ
は結構わかりやすく書かれていた。

お恥ずかしながら、高校生の頃は、慣性力についてなぜか、理解ができ
なかった記憶だけが残っていたが、この本を読んですっきりできた。

高校の物理の教科書や参考書では、慣性力も見かけの力だと遠心力と
ともに紹介されていたが、説明があっさりしすぎていたので、ちゃんと腹落ち
していなかったのだろう。

大学受験の問題は、計算問題であり文章題ではないので、腹落ちしておらず
本質を理解していなくても問題だけは解けたのだろう。




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[ 2016年02月27日 04:50 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

単位がわかると物理がわかる

我々が普段使っている物理量で最も基本的な単位はというと、長さを測る
m(メートル)、重さを測るkg、時間を測る秒で、MKS単位系と呼ばれる。

20世紀に入り電気や磁気の基本単位としてA(アンペア)が追加されMKSA
単位系になった。

さらに実用上の単位として、温度のK(ケルビン)、光度のcd(カンデラ)、
物質量のmol(モル)を加え、SI単位系と呼ばれるようになった。

その基準も時代とともに変わり、mなんかは最初は北極から赤道までの
距離の1000万分の1を1mと定めたのだが、地球も常に一定の形ではない
ため、地球を基準にすると誤差が出るので、白金という安定した物質で
作った原器という1mの物差しを作りそれを1mとした。
この原器も有効数字7桁ということで限界があり、最終的には光の速度
という不変の物理量に着目し、最終的には、光が299792458分の1秒で
移動する距離を1mとし、これで落ち着いたそうである。

こんな感じで、時間はセシウム原子の振動数を利用したりと、より不変な
ものを使って、必要に応じ再定義されているという。

そんな、単位であるが、重さや時間も長さに換算でき、
1秒は299792458m、1kgは2.842…×1042m-1になるという。

直感的にはよくわからないが、ブラックホールの計算をしている物理学者
にとっては、時間と長さの混ざり合いを実感しているとのことである。

そういえば、相対性理論の本を読んだ時に、時間と空間は同列で扱う
ものであり、時空と呼ぶという話を思い出した。




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[ 2016年01月04日 04:27 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

パスカルの原理と重力の影響

自然科学ネタで話題に困った場合、物理の単位にちなんだネタを調べて紹介してみる
ことにする。

今日は圧力に関する単位[Pa](パスカル)についてである。

1Paは、1m2の面積につき1Nの力がかかったときの圧力をいう。
(1Nは1kgの質量に1m/s2の加速度がかかった状態)

1Nは重さに換算すると1/9.8=0.1[kgf]。これが1m2にかかるとしてもほとんど感じない
圧力だろう。
(Wikipediaをみると郵便切手の上に乗ったイエバエによる圧力とのこと)

パスカルは、
「密封した容器中の静止している液体の一部に加えた 圧力は、液体内のすべての部分
 に 同じ圧力で伝わる。」
というパスカルの原理を発見したことで有名で、中学校の理科でも習う。

断面積が違うU字管について考えてみる。
Pascals principle01

左側の筒の半径を5cm、右側を10cm、円周率を3とした場合、
左側の断面積は75cm2、右側が300cm2となる。
また、断面積には関係なく水は同じ高さになる。

これにおもりを乗せて密封し、左右の水の高さを同じにした場合、
左側に1kgのおもりを乗せると、右側は4kgて釣り合う。
Pascals principle02

つまり小さな力で大きなものを動かすことができるので、身近なところでは油圧機
器等に応用されている。

パスカルの原理に関して書かれたホームページの記事を読んでみると、仕事につい
ても書かれている。
Pascals principle3

左側の管に更に力をかけて、10cm沈めるとすると、右側は2.5cmしか上がらない。
これは「する仕事」と「される仕事」が同じということもあるが、移動する水の体
積は変わらないので、単に高さが断面積に反比例しているだけである。
(この例の場合、750cm3の水が右側の管に移動している)

よく、パスカルの原理の説明をする際、「重力の影響を無視した場合」という条件
がつくので、左側の力が変化していることを説明していないことが多いが、重力の
影響は結構大きく無視できない。

下図のように右側に、体積12.5×300=3,750cm3の水のおもりがあるのと同じなので、
水の比重を1.0 g/cm3とすると水のおもりの思さは3.75kgとなり、
左側に3.75/4=0.94kgfの力がさらに必要になる。
Pascals principle04

この差は、結局のところ高さの違いによる水圧の違いに一致する。

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[ 2014年08月06日 04:14 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

頭が良くなる1分実験

家の中にあるもので1分間でトライできる実験を紹介している本である。

理系人間にとってみたら、
「500グラムのジュースを飲んだら体重はどうなる」
「作用と反作用」
に対して難なく説明することができるが、

「鉄1kgと綿1kgを天秤に乗せるとどうなるか」
「作用反作用で釣り合うのに大人と子供の押し合いで子供が勝つのは何故か」

と問われると頭を捻らなければならない。

そんなちょっとした脱線話もあれば、空が青く見えたり夕焼けになったりする現
象と同じ理屈を再現する実験が紹介されており面白かった。

空が青いのは大気によって波長が短い光が散乱しているからで、夕方に夕焼け
になるのは、大気の層が厚くなると散乱した光の成分はあちこちに行くので、
残った波長の長い赤い光だけが届くために起きる現象で、これを再現するため
には、ペットボトル、白色LED、牛乳を薄く混ぜた水でできるという。

ようは白色LEDがいろんな波長のある太陽の光で、大気が牛乳水で、LEDの周り
は青白く光り、遠くは赤く光るという。

この実験はちょっとめんどくさいものの、やる気になればできるものなので、
子供にいつか説明してみたいと思う。



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[ 2014年05月14日 04:09 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

小学校6年のときの夏休みの自由研究

私が小学校6年の頃、非常に縄文時代に興味を持っていた。

縄文式土器は底が尖っており、弥生式土器や現代の器のように底が平ではないと
ころも小学生の私にとって興味を掻き立てられたことの一つであった。

そんな私の小学校6年の自由研究は、火おこし器である。

こんなイメージのものである。
hiokoshiki.jpg

今ではこのようなものが市販されているようだが、当時はそんな気の利いたものが
近所に売られているわけではなく、ありあわせの木材を近所のどこからか入手し
作ったものである。

火が起こる原理は、大体想像つくと思うが丸い縦の棒を高速で回転することにより、
摩擦熱を発生させ、おがくずに引火させるというもので、実際に火をつける事もで
きた。

こういった火おこし器ひとつで、歴史、理科、工作といろいろなことを学ぶことが
できた。

しかし、物の価値の分からない母親にいつの間にか捨てられてしまっていた(笑)

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[ 2014年02月11日 04:16 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

トルクと出力

車のエンジンの性能を表す値として、「最高出力」と「最大トルク」というもの
がある。

自分の専門とか趣味でなければ、これらの値自体知らないし、知っていたとして
も、なんとなくしか理解していないと思う。

ここでいう出力とは、以前このブログの「ワットと蒸気機関」という記事で紹介
した、単位時間の仕事量のことで、単位は[W]とか[kgf·m/s]とか[馬力]([PS]ともいう)
である。

馬力というのは馬の力と書くのでなんとなく、力をあわらす単位かなと勘違いを
する人が多いと言われているが、違っていて、馬が継続的に荷物を引っ張る際の
仕事率(単位時間の仕事量)である。

では、もう一つの「トルク」とはなんだろうか。

これが非常にイメージしにくい物理量である。

Wikipediaでトルクを見てみると以下の動画があった。

Torque_animation.gif

τ:力のモーメント。この回転軸の力のモーメントをトルクという。
r:回転の半径
F:力
L:角運動量
p:運動量
上記量はすべてベクトルで、×はベクトルの外積である。


トルクとかモーメントは、量として考えるには、シーソーとかテコでも同じ力
で押しても、支点からの距離が長いほうがその量が大きいとなんとなく理解
はできるが、向きを持っているということは直感的にはイメージしにくい。

その向きに右ねじの方向に物体を回転させる作用のある物理量と覚えるしかない。

「トルクは加速力に、馬力は最高速に効く」という車の性能に関する一般的
な誤解されているが、
・トルクと力は別のものである
・力は加速に比例する
・馬力は力に比例する
・つまり馬力は加速に比例する
ということで、結局は
馬力(出力)は加速力にも最高速にも効くということを押さえておけば良いの
だろう。


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[ 2013年11月14日 04:35 ] 物理 | TB(-) | CM(0)

ワットと蒸気機関

電力を表す単位にワットという単位がある。

電力[W]=電流[A]×電圧[V]で表され、中学の理科でも習うし電球の単位
でも使われているのでおなじみだろう。

ワットが人の名前にちなんでつけられた単位だということは、理科の授業か
なにかで聞いたことはあるが、受験には関係がなかったこともあり、詳しく
は覚えておらず、電気に関係する人かと認識していた。

ワットとはどういう人物かということで調べてみると、蒸気機関を改良した
人間ということで、産業革命に貢献した人物ということらしい。

ワットの時代は電気と言えば雷が電気ということが分かったぐらいの時代で、
電気が工学の分野で応用される1世紀も前である。

確かに、ワットという単位は電力の単位でもあるが、同時に仕事率[J/s]
([N・m/s])(単位時間の仕事量)の単位で、ワットは蒸気機関の動力を数値的
に表す単位として決められた。


蒸気と言えば、やかんに水を入れ沸騰させると蓋がパタパタ音を立てるが、
これを何かに利用できないかということで、古代から色々と考えられていた
が、実用化したのはイギリスの学者ニューコメンである。

ニューコメンの蒸気機関
Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

当時の鉱山開発では、排水は馬に運ばせていたのだが、その馬の飼育費のた
めに採算が合わなくなり、これを解決するために蒸気機関を用いた排水用の
ポンプが発明されたというのである。

上のGIFアニにあるように、水を沸騰させて作った蒸気をシリンダーに送り、
ピストンを動かし、その後、シリンダーの中に水を直接吹き入れて蒸気を
冷やすという方法だった。

しかしこの方法では、シリンダが冷え再度熱するということで、効率が悪い。

このニューコメンの蒸気機関の修理を頼まれたワットが、復水器という装置
で外部で蒸気を冷やすという方法で、効率を4倍以上に上げた。

さらに、ワットはワットの平行四辺形というピストン運動を回転運動に変換
する方法を考えだした。

ワットの平行四辺形
James_Watts_parallel_motion_animation.gif

この回転運動は、炭鉱の排水ぐらいにしか使い道がなかったピストン運動
とは違い、織り機や蒸気機関車など色々な動力に応用されることとなり、
イギリスが他国に先駆けて産業革命を成し遂げ、世界最強の国となり、
日の沈まない国と言われるようになったのである。


蒸気機関を再現させた動画


(参考サイト)
EMANの物理学・熱力学 蒸気機関の歴史
http://homepage2.nifty.com/eman/thermo/steam.html

Wikipedia
トーマス・ニューコメン

Wikimedia commons
James Watt's parallel motion animation

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[ 2013年11月07日 04:51 ] 物理 | TB(-) | CM(0)
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プロフィール

旅好きおやじの日記

Author:旅好きおやじの日記
職業はIT関係です。
趣味は海外旅行(22カ国制覇)、読書、資格取得です。
取得した資格は以下のとおりで、半分趣味のようになってます。

・情報処理
 ・ITストラテジスト
 ・システム監査
 ・プロジェクトマネージャ
 ・アプリケーションエンジニア
 ・テクニカルエンジニア(システム管理)
 ・テクニカルエンジニア(データベース)
 ・ネットワークスペシャリスト
 ・エンベデッドシステムスペシャリスト
 ・情報セキュリティアドミニストレータ
 ・情報処理一種
 ・情報処理2種
 ・情報セキュリティマネジメント
 ・ITパスポート
・元PMP
・ITIL V3 Foundation
・Oracle Master Gold
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