2009年機械工学科体験入学の紹介
- 流れの科学(可視化とエネルギ効率の改善)
- 材料の科学(金属の性質)
- 機械工作実習見学(マシニングセンタ，レーザ加工など)
- 流れの可視化実験
- ひずみゲージを用いた流動抵抗の測定実験
ニクロム線カッター台(中央)
水槽の一部(右)
体験入学でいただいた質問に対する回答集(2009年7月分)
お待たせしました。報告書の質問に答えます。
○質問の意味が理解できなかったあるいはどのように答えたら回答になるのか分からなかったのは答えることができませんでした。
例えば、「流れのときに車のスタビライザ (文章では、絵を描いている。スタビライザとは車の後方に付け、車が浮き上がるのを防ぐための翼の形をした物体) の形や場所があまり判らなかった。」
「適性検査とは何ですか？」
○次のような難しい質問には答えることができませんでした。ごめんなさい。
「逆に抵抗が大きい形はどんな形だろうか？」
「一番遅い車の形を教えてください。」
「UFOって抵抗が小さいですか？」
「人は何Ｇまで耐えられる。生身の人をマッハ５で飛ばすとどうなりますか？ 時速10000kmの乗り物に生身の人を乗せるとどうなるか？」
○こんな形状だとどうなるという意味で実際に絵を書いてくれたものについては、８月末の体験入学で実際に測定してみます。
測定結果は終了後このページに載せて報告することにします。
→
「9月追記」をご覧ください．
「なぜ流動抵抗ができるのか？」 「ひずみゲージ、流動抵抗はどのように測るのでしょうか？」 「抵抗の小さい形のイメージがつかみにくかった。」
上のような質問をいただきましたので、
教室に掲示していた
説明文
(PDF)を掲示します。
また、
このページ
(流れの力, http://www.kiesinc.jp/
世界で最速の車はどのような形をしていますか？時速は？
専門ではないので、インターネットの「世界一の一覧 (Wikipedia、下記URL) 」で調べました。
http://ja.wikipedia.org/wiki/
世界最速の車 (約1228.0km/h ) については
http://ja.wikipedia.org/wiki/
市販車で世界最速の車 (約414.3km/h ) については
http://ja.wikipedia.org/wiki/
を参考にして下さい。
ちなみに「世界一の一覧」には、
1991年に日産のフェアレディZの改造車が419.84km/h を出したとありました。
今回の体験入学で配布した「車のシルエット・サンプル」の中で流動抵抗の一番小さかったのはフェアレディZでした。
渦を消すようなラインはある？ 抵抗を小さくするにはどうしたら良いか？ どこまでが抵抗の限度か？ 大きな物なのに抵抗を少なくする方法は？ 理想的な車の形とは？ 世界で一番空気抵抗が少ない形状はどんなんですか？ どんな形が一番抵抗が少なくなるのか？ 車体が長い方が抵抗が小さくなるのかどうか？
渦の生じない形状は有ります。
最もよく知られているのは、
流線形 (サンプルのクジラの形に近い形) と呼ばれている形です。
あるいは飛行機の翼の断面形状を思い描いてください。
いずれも、長い方向の軸線が流れに沿って向いている場合には、渦は生じません。
ただし、流体の摩擦による抵抗は生じますので、
流動抵抗は０にはなりませんがはるかに小さくなります。
これが多分、理想的な車の形状だと思います。
流線形のような形で車体を長くすると、渦が出にくくなり流動抵抗は大きく減少します。
ただし、流体摩擦による抵抗は面積に伴って増えますので、
車体が長いほど流動抵抗はわずかずつ増加します。
飛行機の翼の形を車に適用すると、
揚力 (流れと直角方向で鉛直上向きの力) が生じ車は飛行機の様に浮き上がり、
タイヤが地面から浮いて推進力を与えることができなくなります。
そこで、車を地面方向に押し付ける力が必要になります。
そのために車に取り付けるのが、
ウィングとかスタビライザと呼ばれている翼を逆さにした形状の物体です。
当然、ウィングが渦の中に入っていると車を下方向に押し付ける役目を果たすことができません。
現在で、一番燃費のいい車を教えてほしい。１リットルで何km走れるのか？
エコランという競技があります。
エコランは、一人乗りの車でどのくらい長い距離走れるかを競う競技です。
詳細は下記のURLを参照してください。
http://www.hachinohe-ct.ac.jp
エコランで最も長い距離走った結果が何kmであったかは正確に調べていませんが、
１リットルで3435kmもの距離を走った記録があるようです。
だいたい奈良から東京までの距離が500km弱だと思います。
だから7分の1リッター (今なら17円くらい) あったら東京まで行けるということです。エコランやソーラーカーの車の形はだいたい流線形です。
ガソリンを使うという観点でみれば、市販車で一番燃費のいい車は、ハイブリッドカーです。
究極にガソリンの燃費のいい車は、ガソリンを使わない電気自動車でしょう。
エネルギ使用量と言う観点からすれば、電気自動車やハイブリッド車よりディーゼル自動車が優れていると思われます。
なぜ、スポーツカーは速いのに自由自在に曲がれるのですか？
コーナーを曲がる時に発生する遠心力Fは、物体の重心に働きます。 スポーツカーの重心は一般に低い位置にあるので、 地面と重心との距離Xが比較的小さく、 車を横転させようとするモーメントＦ×Xが小さいので乗用車に比べ自在に曲がれるのだと思います。 なお、スポーツカーに限らず、乗用車などの全ての車にはコーナーを曲がるための工夫がなされています。 そのことを調べてみると面白いと思います。
バスがなぜすごく抵抗が大きい物をわざわざ使っているのかがわからない。 バスを使うのならリムジンのような車をたくさん使った方がいいのにと思った。
今回の体験入学で、リムジンに較べてバスの流動抵抗が大きいことは理解されたと安心しました。 ではなぜリムジンではなくバスが利用されるのかを考えるには、 一人当たりの移動のためのエネルギ消費量を考えるとわかってくるのではないでしょうか。 この論理で言うと、東京ディズニーランドに行くのに、 飛行機、新幹線、バスのどれが一人当たりのエネルギ消費量が少ないでしょうか？ 考えてみてください。
くじらの流動抵抗について？ 魚の形は抵抗を少なくするどんな工夫があるのか？ 魚だとどんな渦ができるのでしょうか？ あと、下が平らでなく、丸かったりいろいろな形だとどうなるのでしょうか？ 角ばっている方か丸みがある方どちらが抵抗が小さい？
回答するのに疲れてきたのと答えるのが難しい質問があるので、
これから少し手を抜きます。
今回のサンプルは全て模型を制作して実験してみました。
くじらは尾びれの付近で小さな渦を巻くだけでかなり流動抵抗が小さかったです。
一方、まぐろはサンプルの中で最も流動抵抗の大きな物体でした。
実際には、マグロは寸法のワリに高速で泳ぐので、
流動抵抗が大きい実験結果は不思議に感じました。
今回の実験は二次元的な渦を観察して流動抵抗を測定するだけだったので、
マグロのような本来三次元性の強い形状の物体の周りの流れはかなり異なっているのではないかと考えています。
物体の下側を平らにしたのは、実験装置に取り付けるための制約からです。
一般的には、角ばっている物体より丸みのある物体のほうが渦が出にくいと思われます。
「空気抵抗が小さい髪形ってありますか？」
髪形について説明することはできません。 滑らかな表面 (髪の毛がなくツルツルの状態) よりもある種類の不織布をはった表面 (適当に繊維が出ている状態) の方が流動抵抗が小さいという研究もありますので、 髪の毛がないのが流動抵抗が小さいとは一概に言えないかもしれません。
車の後ろの渦は右向き、左向きとか何か関係あるんですか？
第1近似的には差は無いと思います。詳しく調べると違うかもしれませんので、答えはわかりません。
いつも今回のように楽しく実験などを行っているんですか？
勉強と同じで、日頃はあまり楽しんで実験をやっていません。 むしろ、出来るだけ注意深く集中しながら、正確な実験結果を得るように、 また安全に実験するよう非常に気を使っています。 それでも分からなかったことが分かったり、 ワクワクするような体験がときどきあります。 それが刺激的で面白いから実験したり研究したりします。
流体工学は主にどんなことをするんですか？
流体 (空気や水などの気体と液体) がある所、常に流体工学で解明する必要のある現象が生じています。つまり、流れ現象をいろいろな方法で説明するのが流体工学です。
最後に「見学コーナー」の質問に答えましょう。鉄とはがねに何か違いがあるのですか？
40年前に習った知識なので、正確を期すため下記のURLなどを参照下さい。
http://woresite.jp/
他にどんな機械があるかみてみたいです。
高専に入学してください。
体験入学でいただいた質問に対する回答集(2009年8月分)
まず一部重複していた質問は、 ７月の回答集 を参考にしてください。
○実際に使われている乗用車の中で一番流動抵抗の小さいのはどのような形ですか。
現在売られている車で一番抵抗が小さい車は？どんな形の車が一番空気抵抗が低いのか？
→
「世界で最速の車は...？」の回答
を参照してください。
○抵抗０は可能であるか。可能ならばどのような形か。
どうしたら流動抵抗が小さくなるのかが詳しく知りたい。
→
「渦を消すようなラインはある？」の回答
を参照してください。
○クジラはすごい抵抗を受けて、泳げるのですか？
→
「クジラの流動抵抗について？」の回答
を参照してください。
スポーツカーと一般の車の抵抗の差は、どれくらいか？ どのような形の車がよく売れていて、その車の流動抵抗はどのくらいなのか。 軽自動車でプリウスやインサイトは超えることはできますか？
一般に、車（物体）に働く流動抵抗は投影断面積（車の正面側あるいは後ろ側から見た時の面積）の減少ともなって減少します。
今回の実験では、車の投影面積にあたるのは車高×奥行きです。
奥行きは一定としていますから、車高が低くなると流動抵抗はかなり小さくなります。
今回のサンプルでは、車の場合縮尺をすべて同じにしたため、
スポーツカー（フェアレディＺ）の車高に比べて、
他の一般車の車高は1.5倍程度になっています。
このため、一般車の流動抵抗に比べてフェアレディＺの流動抵抗は半分程度になりました。
環境・エネルギー問題などの社会的要求のために、
ハイブリッドカーや燃費の良い軽自動車がよく売れているようです。
今回実験した一般車の中では、ハイブリッドカーの流動抵抗が小さく、
流動抵抗を減らすように形状などもかなり考えていることがわかりました。
また、軽自動車のような車を提案してくれた受講生の方もおられましたが、
いずれも流動抵抗はある程度大きな値になっていたと思います。
（流動抵抗の小さな軽自動車タイプが一部見られましたが、
多分、車高が少し低かったのではと考えています。）
軽自動車の場合には、車自身の重量を小さく抑えて燃料消費量を抑え、
４〜５人の定員を乗せるための車体形状を得るために、
流動抵抗はかなり犠牲になっています。
軽自動車もハイブリッド化される傾向があるようです。
そうなると、燃料消費量の面ではプリウスやインサイトを抜くことも可能であると考えられます。
横の長さが短いときにどうなるのか気になった。 逆さにしたときどうなるのかも気になった。 似たような車の形でも、うずの出来方がちがうのは何が違うのですか？
横の長さを流れ方向の長さとみなしてお答えします。
流れ方向長さが長いと、水と接触する長さが増大し、摩擦抵抗が増えます。
今回測定した流動抵抗は、渦によって発生する圧力抵抗（形状抵抗とも言います）
と摩擦抵抗の単純な和ですが、
一般に圧力抵抗は摩擦抵抗にくらべはるかに大きいという関係があります。
したがって、車の後方に渦が発生している場合には、流れ方向長さは短くしても、
あまり流動抵抗の減少にはつながりません。
形を逆さにした時どうなるかは、多少は予想できますが、
やってみないと正確にはわかりません。
似たような車の形でも流動抵抗が異なった原因は、いろいろ考えられます。
車の角部のまるみがどの程度かによっても、渦の大きさが異なります。
また、乗用車の天井部分の形状を見てみてください。
７月の回答集
（渦を消すようなライン？）で少し触れていますが、
乗用車の天井部分の形状は流線形をしたものが多いです。
天井の後ろ半分の車高は次第に低くなっていっています。
渦で圧力の低くなる車体後ろの面積をできるだけ小さくするために、
車高を下げていっているのです。
車に採用されている以上に、角度で数度大きく、天井の後ろ半分の車高を下げると、
天井部分でも渦が発生し、流動抵抗が急に大きくなります。
また、物体の表面がどのようになっているかも関係します。
一般的に物体表面が滑らかな方が抵抗は小さいと考えられがちですが、
そうでもないようです。
ある種の粗面は小さな規模の渦によって逆に流動抵抗を減少させることが知られています。
よい例は、サメ肌です。
サメの肌はザラザラですが滑らかな場合より高速に泳げることが知られています。
また、オリンピックなどでも話題になった競泳水着などにも流動抵抗を減少させる工夫がされています。
流動抵抗の低減は、本校機械工学科の教員の研究テーマの一つで、
卒業研究で５年生が取り組んでいました。
うずしおはどうやってできるのか
太陽と月の潮汐力により海面が上下します。 海面の上下によって鳴門海峡の様な海峡部では、 流路断面積が減少して急激な流れが生じます。 鳴門海峡でうずしおが観察される理由は、その地形にあるようです。 つまり海峡中央部は100ｍ程の水深があるのですが、 陸地近辺は浅瀬が広がっているため、 その海域では浅瀬の摩擦抵抗のために流れは遅くなっています。 海峡中央部の速い流れと浅瀬部分の遅い流れの境目（これをせん断層と言います） でせん断層が巻き上がりうずしおが形成されます。 うずしおは駆動力が潮汐力なので潮汐渦とも言います。
海の泳ぐ生物は抵抗が小さいのですか
一般的に、高速で泳ぐことのできる魚（サメ、マグロ、魚ではないけどイルカなど） は大きさの割に流動抵抗は小さいと考えられます。 また、高速で泳ぐ必要のない魚（タツノオトシゴ、フグなど） は見るからに流動抵抗が大きいと思われます。
燃費をよくするにはどうすればいいか。
ひとつの回答は ７月の回答 （現在で、一番燃費のいい車...？） を読んでみてください。 ここでは、別の回答をしてみましょう。 熱力学の基礎理論から考えてみますと、燃費を良くするには、 エンジン内の最高温度を上げることです。 エンジン内の最高温度を上げると、熱効率が高くなります。 熱効率が高くなると、少ない燃料で、同じ仕事ができるようになります。 エンジン内の最高温度は、主としてエンジンを作っている物質 （金属） の耐熱温度に依存しています。 新しい物質が発見・研究されて、 それがエンジンに用いられるようになって耐熱温度が上がると、 エンジンの性能は飛躍的に向上します。 なので、機械工学科で勉強して、新しい物質を発見しましょう。
どんな形のものには、この加工の仕方が向いているのかよく判らなかったです。
日ごろどんな授業をしているのか。
この2つの質問への回答は他の先生方に依頼中です。 しばらくお待ちください。 → 「9月追記」をご覧ください．
体験入学でいただいた質問に対する回答集(9月追記)
お待たせしました。報告書の質問に答えます。結局全て矢尾が答えました。
このような形で、どのような結果がでるのか知りたい。
追実験をしました。 流動抵抗の値は29.4でした。 可視化実験の結果を図に示します。 動画ではないため分かり難いと思われますので、文章で説明します。 車頂部からはく離渦が発生していました。 はく離渦の大きさは車の高さよりもやや小さいことから、 車頂部の上流部ではなく車頂部の下流部ではく離渦は発生しているように思われます。 また、はく離渦の流れ方向の大きさは時間的に変動していました。 図に見られる瞬間には、はく離渦は下流方向に引伸ばされ車後方にまで到達してましたが、別の瞬間には、はく離渦は車の後半部に再付着していました。 このことから、圧力の低い領域は車後半部全域ではなく、 それよりもわずかに小さい領域と推測できます。以上です。
どんな形のものには、この加工の仕方が向いているのかよく判らなかったです。
実習工場にある代表的な工作機械と加工品の形状についてお答えします。
・旋盤 円筒形の部品、例えば、軸やネジなどの加工
・CNC旋盤 数値制御によって複雑な円筒形状の部品を加工することが出来る。
・フライス盤 部品の端面切削
・ボール盤 部品の穴あけ
・マシニングセンター フライス盤とボール盤を組み合わせた機能を持ち、数値制御によって複雑な形状の部品を加工することが出来る。
・ワイヤカッター 薄板から数値制御によって複雑な形状の部品を切り出すことが出来る。
・帯のこ盤、コンタマシン 材料の切断
・レーザー加工機 透明アクリル板などが加工できる。
・研削盤 部品の端面を鏡面のように加工できる。
・ホブ盤 歯車の歯型を切削できる
日ごろどんな授業をしているのか。
高校と大学で学ぶ内容を、低学年では高校の様な感じで、 また高学年では大学の様な感じで授業しています。 機械工学科の授業は、機械工学の基本のところ (大学の必修単位に相当する) を大学に較べてかなりていねいに時間をかけて授業しています。 このため、大学に編入学した高専卒業生はかなり高い専門の学力レベルを発揮しています。