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理科っぽい視点で、身の回りのことを見てみませんか。
そんない理科の時間B、第478回。
そんない理科の時間B、お送りいたしますのは、
よしやすと、
かおりと、
まさとです。
よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
今日はですね、蒸気機関やら何やらを、
ちょっと話そうと思っていて、
今、収録しているときには、
なんていうの、タイトルまでしっかり決めてないんですけど、
蒸気機関とかね、
なんかその辺のことを話してみようかななんて思っています。
はい。
はい。
しゅしゅぽぽ。
そうそうそう。
収録しているのはですね、
8月31日になった、
0時過ぎなんですけど、
はい。
はい。
一般的にはね、夏休みの終わりタイミングですが、
夏休みの思い出何かありますか。
宿題がー。
あ、そうそうそうそう。
宿題で泣いてる方もいるんじゃないかっていう、
タイミングですが。
時間だと厳しいですね。
配信するのはね。
これからだって追い込みでしょ。
配信するのはもう、
9月に入ってからなので。
いやいやいや、ほらでもほら、
最初の授業で提出っていうのもあるからさ。
でもこの前まとめてドーンって提出してましたよ、
初日に。
おー。
この前って。
早めに新学期が始まった学校があるっていうニュースをやってまして、
都内の学校も。
このところそうですよね。
昔は8月いっぱいっていうのがあったけど、
最近月曜始まりになってたりとか。
そうすると8月中から、
仕事じゃない。
授業始まったりするみたいですね。
そう。
土曜日の授業をどれだけやるかで、
長期休みが短くなったり長くなったりっていうので、
いろいろ配分があるらしくて。
土曜日の授業?
そう、土曜日に、
一月に土曜日2回授業があるとかっていう学校もあるとか。
へー。
完全に土曜日休みではなく。
そう、いろんなところがあるみたいですね。
で、まさとさん夏休みの思い出何かありますか?
はい。
多分前回前々回かに一つご紹介していたJパークっていうところが、
放射光施設っていういかつい物理学実験の大きい装置のところが、
一般公開をバーチャルウェブ上でやっているっていうのが紹介したと思うんですけど、
やっていたのが8月の27日の土曜日にやっていたので、
それを見てきました。
はい。
これ本物はだいたいどこにあるの?場所的にはJパーク。
そうですね。茨城県の都会村というところにある大きい施設になってます。
03:03
本名じゃない。なんだ。正式名称は。
大強度用紙加速機施設の英語名というか、Japanから始まるのでJが始まって、
さっきの英語名の頭文字。それでJパークという名前の施設ですね。
そうですか。これまでだと一般公開は施設をオープンする形でやっていたのを、
コロナもあってバーチャルというかネット経由の公開になったということですね。
そうなんですよね。
どんな感じでしたか?
研究者の話があったり、実際に大きいいかつい施設を映像で巡れるっていうような、
そういうものをやってましたね。
そうか。でもやっぱりあれだよね。バカでかい施設だと現場に行ったときの大きさ感と、
パソコン画面だったりね、そういう画面越しだとやっぱり雰囲気は違うんだろうなと思いつつも、
画面越しても大きさがわかる感じはあったりしますよね。
そうなんですよね。実際人が立って喋りながら、その装置の真横で人が立って喋りながら紹介してくれるんで、
人との比較で大きさ感は一応は伝わる感じになってましたね。
そうですか。私も加速機研究所、ケックの一般公開3年ぐらい前かなに行って、
ぐるぐるぐるぐるって回る加速機の4分の1周ぐらい歩きましたけど、やっぱ大きいなっていう感じがしますよね。
大きいんですよね。確かケックだったか、また別にスプリングエイトっていうところもあるんですけど、
そういう加速機のぐるぐる回るところの移動には自転車使ったりするっていうのは、
地下の加速をさせる装置のすぐ横が通れるところになるんですけど、そこに自転車が置いてあったりするっていうのがちょっと面白いなって思ったりしました。
歩いてるとキリがないのね。
そうなんですよね。
ケックの公開はあるんでしたっけ?
そうですね。ケックの公開が配信日で言うとこの翌日、9月の何でした?
配信日の翌日だと3、4が週末かな。
そうですね。9月の3日にオンラインで公開して、4日が一般公開、現地での一般公開が確かだと思います。
分かりました。ケックはね、筑波市にある高エネルギー加速機研究機構、すげえ家業が多いとこですね。加速機研究機構ですからね。
はい。
こちらがハイブリッド公開という感じなんですね。
そういう感じでやってるみたいなんで、ぜひぜひ見てみると、いかついなっていう、そういう感じを味わえると思います。
はい。私も以前は行きましたけど、今年はね、ちょっとメーカーフェア東京に行こうと思っていて。
06:04
メーカーフェア東京。
そうそう。メーカーフェア東京がビッグサイトであるので、そちらに行こうと思っています。
私がこの夏行ったところをいくつか挙げると、
まさとさんと一緒に工作機械博物館に行きました。
うん。工作機械。
で、トヨタの歴史産業記念館だっけ、に行きました。
はい。
宝石のところでね、産業革命っぽいのがあって、自動車のところでバカでかい加工機とエンジンのカットモデルとかがあって、みたいなのがあって。
あと、お盆時期に、塾鹿駒県なんですけど、富岡製糸場に行って。
日本の近代化の代表で。
そうそう。なんかね、その辺のところで、産業革命な感じのことをね、いろいろ見た感じがして。
はい。そうですね。
で、先日NHKのBS放送で、魔改造の夜っていう番組やってまして。
魔改造の夜。
そう、魔改造の夜。悪魔の間に改造ですね。
めちゃくちゃ改造している夜ですね。
そう。おもちゃとか家電製品を改造して良くて、競技に出すっていうやつで、2種目やってて、1つが猫のね、トコトコ歩くおもちゃを改造して25m走しましょうと。
ただ途中で。
猫のトコトコ歩くおもちゃって何ですかね。
電池とか入れて猫トコトコトコって歩いてニャンニャンって言ったりするやつあるじゃないですか。
あるの?知らない。
そういうやつ。以前は犬のそういう似たようなおもちゃが生贄になってましたけど。
生贄。
そうそうそうそう。それを改造してタイヤではない機構で歩かなければいけないとか、微妙なこうレギュレーションでレースをするんですけど。
ただ単に速く歩く走るだけじゃなくて、途中に6m落ちるっていうのを入れましょうっていう。
ほら、猫だからさ。
猫でも6m落ちるのは結構しんどいぞ。
ほら、にゃんぱらりですよ。これでね、面白がってくれるのは50代以上じゃないかと思うんですけど。
ごめん、全然わかんない。
いいです。
6m落ちてというか、ひらりと降りて、その先で5m行って6m落ちて20m走るのかなっていうのをタイムアタックをするっていうのが競技種目1ね。
それを大企業のエンジニアが真面目な顔して取り組むっていう。
いいですね。
前からね、同じ。
ロボコンのレースがあるってやつだっけ?みたいな。
09:01
まあまあまあ、大人版ロボコン、元ネタありっていう感じで。
で、2種目目が電気ケトルで何かしらの動力を作って、で、綱引きをしようっていうのが種目2なんですよ。
で、そんなのを見ていたら。
改造したくなった?
蒸気機関の話をしなきゃいけないんじゃないかと思って。
番組で。
難しい。
はい。
いろいろね、ウェブサイトたくさんあって、こと細かに蒸気機関の話とか書いてあるんですけど、だいたい難しい。
熱力学の第0法則みたいなところから書いてあって。
ん?ゼロ?
あ、そうゼロ。
えーとね、平行状態。
ものをくっつけとくとみんな同じ温度になるっていうやつですね。
で、まあまあそんなのが書いてあるんですけど、これをポッドキャストで、私がすべて理解しているのでもないことを話すのはなかなか大変だと思いつつも、なんとなくこう蒸気機関の話をしたいなと思って、
今日は蒸気機関の歴史とちょっとした熱機関の話をしようと思っていて。
おお。
で、蒸気機関といって思い出すのは何ですか?
機関車ですね。
蒸気機関車。
まさとさんは?
えーと、まずは蒸気機関車は思い浮かびました。
うん。そのほか。
そのほか。
うーん、生地、勉強しちゃったんで、歴史的な水を汲み上げるためのポンプにまずは使っていったとか、そういうことを思い浮かんじゃいました。
そうですか。
なんか蒸気機関って過去のものっていうイメージないですか?
うん、あります。なんか古い技術っぽい感じを思っちゃいます。
でも、火力発電所も原子力発電所もある意味蒸気機関なんだよね。
その通りなんですよね。
そうそう。なので、蒸気機関が古いわけではなくて、蒸気機関車みたいなものはなくなってしまったけど、
いわゆる大きな固いレーンっていうやつね。
そう、あとね、夏の思い出といえば戦艦三笠っていうのがあって。
えー、大和しか知らない。
そうそう、日露戦争の頃のやつで。
もっと前。
日本で作ったんじゃなくてイギリスに発注して作ってんですよ。
えー。
で、石炭の燃料で蒸気機関なのね。
とはいえ、外輪船、黒船みたいな外にパタパタしたやつがついてるんじゃなくて、ちゃんとスクリューなんですけど。
おー。
でも、やっぱり石炭を焚いて蒸気を作って、それでピストンを回すっていうタイプの蒸気機関で。
で。
当時は世界最先端というか、すごい良かった。
どうなんだろうね、イギリスに作ってもらったからね。
12:01
うん。
まあまあ最先端だったんじゃないの。
いや、イギリスでもそれを日本に売るのかみたいなことを騒がれるぐらい性能が良かったっていう話があったと思います。
はい。
で、残念なことにエンジンが残ってるかどうかわかんなくて、下の方まで見にはいけないんだけど、戦隊は残っていて、っていうのも、軍縮会議で戦艦を減らさなきゃいけない。
で、戦艦三笠は軍縮の対象になったんだけど、もう戦争に行かないから残していい?って言って。
こう、陸軍にコンクリートで固めて止めて、ほら、これでいいでしょって言って残すっていう措置が取られまして。
え、なんで残したの?それは。かっこいいから?記念だから?
日露戦争で花々しい戦いというと、バルチック艦隊を壊滅させたっていうのがありまして、そのときの活躍した船の一番有名なやつが三笠で。
それの記念として、これは潰すには惜しいから残していい?って。
そう、忍びないから。
日露戦争で日本が勝っちゃったっていう話があるんですけど、その前には実は日本の艦隊が結構やられているっていうのがあっての最後のバルチック艦隊をやっつけたっていう感じで、最終的に勝ったんであれですけど。
結構、日露戦争でも人は死んでるらしいですとかっていう展示もありました。
で、そこでもやっぱ蒸気機関なのね。
ということで、ポンプで石炭を掘るときに水があふれたのを汲み出すっていうポンプの時代から、今の蒸気タービンまでをどうやって説明しようか、悩んだままこの収録に入っております。
説明しながら解決するってですね。
なんかそんな感じなんだよね。で、熱機関っていういろんなものがね、熱で動力を取り出すってたくさんあるじゃないですか。ある意味ガソリンエンジンとかもそうなんですけど、それをね、あっちこっちで調べるとなんとかサイクルなんとかサイクルとか、断熱圧縮とかいろいろね、難しい単語がたくさん出てきて。
レンタサイクル。
分かっても説明ができないぐらいめんどくさいし、グラフとかね、式とかがたくさん出てくるんで。
式。
そうなんですよ。変微分のやつとかね、それを完全微分にしたり。
完全微分?
こっからここまでを積分すると、っていうのと、行ったり来たりのところの隙間があるところがエネルギーとして取り出せるとかね。
行ったり来たりの隙間がエネルギー?
そう、絶対温度でやらないと計算が合わないとかいろいろありまして。
とりあえずね。
15:00
ケルビン。
あの、ケルビン、ケルビン。
ケルビンさんとかワットさんが出てくるわけですよ。
うん。
なんですけど。
なんですけど、ちょっとね、このオープニングで言っておきたいのは、熱器官の本質は何かっていう話をしっかりしなきゃいけないと思っていて。
はい。
高熱?熱が高い?
うん。
熱エネルギーって何ですか?
気体の激しい運動。
お、素晴らしい。
はい。
ってことは、気体の分子の激しい運動が何かしらで、人間が使える運動エネルギーに変えられれば熱器官だということですよね?
そうですね。
そこまではいいですか?
ってことは、何かを熱くして、気体のようなものにして、それを圧力を上げたり温度を上げたりすると、ぶつかる力が強くなるから、それで何かを押せば、それが動力して取り出せるっていうことですよね?
うん。
そこはいい?
空気に押させてものを動かす。
それは空気なのか水蒸気なのか、またはたまたガスなのかは置いておいてですね。
はい。
はい。気体に押させて。
ってことはどういうことかっていうと、その気体の分子は動力になるものを押したら、2つあって、1つは押したら遅くなったり、圧力が低くなったりするんだよね。
うん。
それでエネルギーを失うわけだ。
はい。
例えばピストンっていう注射器みたいなやつの中に片方から圧力をかけると、ピストンが飛び出したり引っ込んだりするよね。出口の方から空気を出したり入れたりすると。
うん。
で、圧力が高かったり温度が高いものを注射器の中に入れると、注射器のピストンは外に出ようとする。
でも、待機圧とかがあるから、それと等しくなってしまうと、それ以上は圧力と温度が等しくなってしまえば、それ以上動かないっていうのは何となくわかりますかね。
外側の空気もピストンを押すし、その外側の空気の押してる力と同じ力で押したところでピストンは動かない。
そう。それがエネルギーの大ゼロ法則なんですけど、熱エネルギーの大ゼロ法則ね。
はい。
ってことは、ただ単に熱いだけではなくて、どこかに冷たかったり圧力がなかったりする、真空だったり温度がなかったりするっていうところがあれば、一番力が出せるんだけど、
一気圧だったり常温、例えば20度とか25度っていうのがあると、それよりも高い温度や高い圧力がないと力が出せないっていうのも何となくわかりますかね。
18:01
すでに我々は20度で一気圧の世界に生きてるから、それよりもそこに対して何かを動かすには、それよりもぶつかって力を出して自分のエネルギーを温度エネルギーに変えるっていう機体の中の力、つまり温度が必要っていうのが何となくわかると思うんですけど。
なので、私が考える熱気管の本質、他にも言い方はあるはずなんですけど、機体の分子が暴れているやつが何かに作用してエネルギーが取り出せるようになって、そこで機体の分子はエネルギーを失っていくっていうのが熱気管の本質で。
だから、熱気管の熱い機体は温度が下がったり、体積が大きくなって力がだんだん抜けていくっていうのが起こる。それを外から動力として取り出すっていうのが熱気管の本質ですよと。
でですね。
はい。
ってことは、熱いままのものが出てきたらもったいないんだよね。
まだそこに熱というエネルギーがいるはずだ。
だったり、せっかく熱いものを動力を取り出さずに冷たくしちゃったらもったいないんだよね。
だから、その位置が熱かったり圧力があるものをそのまま空気中に放出しちゃうともったいない話。
そこはまだ差があるからエネルギーを取り出せるはずなのに。
もう一個が、せっかく熱いものをエネルギーを取り出さずに冷ましちゃうともったいない。
それエネルギーがエネルギーというか熱がどっかに逃げてしまうだったり、はたまた中で冷やしちゃうとかがあるともったいないっていうのがあって。
ということで、本編では蒸気機関の歴史などを話しつつ、熱機関に関することをお話しして、皆さんの理解につながるといいななんて思っております。
今日は蒸気機関のようなことを話をするんですが、
さっき話していた魔改造の夜っていう番組では、大きい会社のエンジニアたちが、
湯沸かし機で出た蒸気をもとにタイヤだったりキャタピラみたいなのを動かすっていうのを考えるわけですよ。
開発期間が1ヶ月半しかないんで、チーム分けをして半分の人たちは。
21:03
これでやりますっていうふうに出してから、収録というか対決までの期間が1ヶ月半なわけね。
そうすると、電気ポットで綱引きができる機械を作るのに、そのチームの中でも組み分けをして、
熱い蒸気をたくさん作るっていうのを頑張るチームと、
高圧なものがやってきたら、それを動力に変えてタイヤとかを動かすっていうチームとかがあって、
それと全体のシャーシを作って、それを乗っけられるものを作るっていうチームとかがあって、
まずはそれぞれが頑張るのね。
ボイラーチームっていうのと、ピストンと走行系チームっていうのに分かれて、
ピストンと走行系チームは最初、圧縮空気を使っていろんなものを試作していくわけ。
そうすると、蒸気機関車みたいに高い圧力の空気があったら、これがこのピストンを押して、
タイヤに伝わってっていうので、結構いい感じなわけ。
ドコドコドコドコっていって、これいけるよっていうので、
途中でボイラーチームと合流して、組み合わせて、
会社の名前が出るんで、役員さんとか呼んで、お披露目ですみたいな、
今日最初に動きますみたいなのをやるんですけど、
動かないと。
動かないんですね。
なんで動かないかっていうと、圧縮空気だとうまく動いてたんだけど、
蒸気を送ったら、そのピストンがね、アルミの削り出しっていう金属でバンバンできてるわけ。
そこに蒸気が入ってきた途端、水に戻っちゃうの。
金属が冷たいから。
金属が冷たいから。熱伝導もいいから。
蒸気機関車とかは、そのピストンを温めるわけですよ、最初。ゴンゴン。
そこに蒸気を送っても冷えないようにしてからスタートするわけね。
なんだけど、セッティング4分、走るための準備2分みたいな時間しかないから。
実際の競技では、ヒートガンって言って、ドライハンの工業用のみたいなやつでガーって温めるとかやってんだけど、
とはいえ、その試作のときに水になってしまうっていうね。
水だけダバダバダバって走らないっていうのが起こって。
逆院に苦笑いされる。
そうそうそうそう。で、なんとかしろよとか言われて。
名前出るんだからさ。
それをもう取材されてるんですけどね。
ということで、複数エネルギーに変えらずっていう状態で。
それ、さっきから言いたかったわけね。
いや、テレビ見ながら思ったんだけど、言う機会がないなって思ってたんですよ。
24:02
ここでお披露目。じゃじゃん。
とはいえね、それなりのエンジニアさんたちなんで、
あっちこっち断熱したり、準備のときにヒートガンを使って温めたりっていうので、
なんとか動くものを作って出展するんですけど。
っていう中で、ほら蒸気機関って何百年も前の人が作ってるから、
400年ぐらい前かな、作ってるんだから、
今のエンジニアが本気であれば、1月ぐらいあればできるだろうと思っても、
いろんなところに落とし穴があって、そう簡単じゃないっていうのも分かったりして。
という、現代の頑張ったエンジニアの話をしつつ、蒸気機関の歴史で。
なんかね、細かいのはね、いろいろあるんですけど、
有名なのは、分かりやすいのはWATTの蒸気機関ってやつが有名です。
WATT?
で、その前のニューコメンの蒸気機関っていうのがあって、
これ結構普及したらしいんですよ。
ただ、そのニューコメンの蒸気機関の前に、
蒸気機関の走りともいえるような蒸気機関っていうのがあって、
それはですね、読み方が何だっけな。
サベリーかな?かセイバリーかな?
セイバリーさんっていう人がいて、その人が考えた蒸気機関っていうのが実用だし、
最初に特許をたくさん取ったっていう蒸気機関で残っていて、
その頃ね、その頃っていうのはどのくらいの時期かっていうと、
1700年代には石炭がだんだん掘り出されて、
そこで出た水を汲み上げるっていうのがなかなか大変だった。
人が汲み上げたり、汲み出しポンポンみたいなのを作って、
それを馬が動かして用水、水をあげる。
馬力だったわけね。
そうそうそう、鉱山だったり石炭鉱山だったりっていうところの採掘工から出てくる水を処理するっていうのがとても大変だったので、
それを何とかするために用水、まず水を汲み上げるためのポンプっていうのがあって、
それを蒸気の力で動かしたらどうだろうというのを作ったのが一番最初です。
これをね、作ったのが1699年かな。
違う、特許取得者の1698年か。
で、この人が作ったのはピストンというか煙筒の中に蒸気を入れて、
で、蒸気で満たした後、蒸気が来る方のバルブを閉じて、
水が下の方にあるところの管とつなげた後、冷やすと真空になって水がぐーって上がってきます。
27:04
冷やしてあげる方。
そうそうそう、っていうのをやって、少し上がったら今度は下のバルブを閉じて、水はジャバジャバって出して、
もう一回蒸気でその煙筒の中を満たしてっていうのをやればいいだろうというので、
水蒸気が水になると真空になって、水が汲み上げられてっていうのを順番にやるっていうのを発明したんですが、
なかなか普及はしませんでした。
なんでかっていうと、いくつか理由があって、
一つは真空を使ったポンプっていうのは10mしか上げられないのね。
水の重りに耐えられないんで。
なるほどなるほど。
そう、なので、っていうのともう一つは蒸気、さっき言った蒸気で筒を満たしてってやるんだけど、
筒が冷たいと水になっちゃうでしょ。
だから蒸気で満たすまでになかなか時間がかかったりして、またそれを水が上がってくるとまた冷えちゃうよね。
なかなか使い勝手も悪かった。
なんだろう、蒸気の押す力ではなくてっていうものだったのね、一番初めの蒸気を使った特許っていうのが。
そうそうそうそう。
えー。
っていうのと、冷えちゃうからっていうのと、もう一つ蒸気をまず詰めるでしょ、グググって。
その時に圧力が高いと爆発事故が起きやすかった。
うまくバルブを閉められないとか。
そう、とかっていうのがあって、あとそれはね、手で動かすタイプがしかなかったんで、
Aのバルブを開けてBのバルブを閉めてみたいな、赤開けて白下げてみたいなことをやらなきゃいけなかったっていうのがあって、なかなか早くなかったんだけど、
この人はたくさん特許を取ったので、この後のニューコメンさんっていうのが、とても実用的で流行る蒸気機関を発明するんですけど、
その時にもニューコメンさんはこの人に特許料を払っているはずです。
なるほど。
でもとりあえず自分のアイディアはどんどんどんどん登録したわけね。
そうです。
次の人が大変だったと。
でもまあ、とりあえず動いていたからね。
で、ニューコメンさんっていう人が作ったのは、これもやっぱりね、水を汲み出すっていうタイプなんですけど、いくつか違うところがあります。
一つはシーソーを思い浮かべてください。
シーソーなんだろうな。
よく陸上の石油採掘場っていうと、大きいシーソーがギッタンバッコン、ギッコンバッタンしながら石油を汲み出してるっていうのが思い浮かぶ人もいるんじゃないかと思うんですけど、
30:00
え?今?
えっとね、例えば2メートルの高さに軸を置いて、そこにシーソーをくっつけます。
いいですか?
で、両方から鎖を下ろします。
そうすると片方に人がぶら下がれば、もう片方が上がって、反対にすれば反対が下がってっていう、こう上がったり下がったりっていうのをやりますよね。
で、ニューコメンさんはさっき言った、汲み上げた水を冷やすのに使うっていうのをやめました。
つまり、真空で水を汲み上げるのには10メートルしかできないんで、どうしたかっていうと、自分で作った往復するものをシーソーの端っこにくっつけて、もう片方に鎖をくっつけて穴の底に垂らすでしょ?
すると、穴の底で上で蒸気機関が動くと、その下がってきた鎖が上下に動くわけですよ。
そこにポンプをつければ、下から押し上げるポンプとか、いろんなポンプが使えるわけね。
つまり、冷やすものと水を汲み上げるものを分離したわけ。
それをシーソーでつないだのね。
片方がポンプにつながっていて、往復型のポンプにつながっていて、もう片方にニューコメンの蒸気機関っていうのを作りました。
ニューコメンの蒸気機関は、さっき言ったのと実は似ていて、大きい筒の中に蒸気を満たした後、そこに冷水を当てて、真空にして力を出すっていうタイプ。
これは同じね。
力を出すのが真空を使う。つまり、待機圧でピストンを外から押してあげる。
戻す時には、蒸気を充満させる時には、ポンプの方に重りがついていて、バランスしてるから、少しでも圧力があればグググって上がって、途中でバルブを閉じて冷水をピュッて入れると、引き戻して下がってっていうのが連続して起こる。
それを上がったり下がったりするっていう棒があるんで、どこまで来たらこのバルブを開ける、どこまで来たらこのバルブを閉めるっていうのと組み合わせて、自動で動くようにしたっていうのもすごく大きいところなんですよ。
これをやることで、1秒間に10回ぐらいポンプが動かせるっていうのを作ったし、その筒を大きくすれば大きくするほど力が出るんで、すごく大きい力も出せるようになりましたというのが、
ニューコメンさんの蒸気機関です。
ニューコメンの蒸気機関は、つまりすごく膨らんだ水蒸気を冷やすことで、待機圧で押すっていうのをやったわけね。
つまり、蒸気が温度が高くて、それですごく押すっていうのを使ってないわけ。
蒸気。今のイメージだと蒸気の押す力を使うって思ったけど、それではないわけね。
33:07
そう、オープニングで言った通り、圧力が低いものを作って、待機圧で押すっていうのをやってるわけ。だから、待機圧よりも大きい仕事はできないの。
それってその圧力を貯めていられなかったってこと?
いくつかあって、いいところは高圧を使わないでしょ。だから爆発しないのよね。蒸気で満たせればいいわけだから。
もちろんね、グツグツしないと蒸気で満たすのがゆっくりになっちゃうから、グツグツして蒸気を出さなきゃいけないんだけど、
それをピストンの中に溜めて、ピストン全体を冷やすと冷えちゃう。冷えてまた温まるのが大変だから、
その中に冷たい水を水デポみたいなので噴射するっていうのをやったのもアイデアで、
ピストンという煙筒自体はそんなに冷えないんだけど、蒸気が水になるようにするっていうのを工夫したのが、
ニューコメの蒸気機関で、信頼性も高かったし爆発もしにくかったんで、すごい流行った。
で、問題はグツグツグツグツお湯を沸かしっぱなしにしないといけないから、石炭を掘るでしょ。
で、水を汲み出すでしょ。で、水を汲み出すには石炭でお湯を沸かさないといけないでしょ。
っていうので、掘り出した石炭の半分はいかないか、20%ぐらいの石炭を使わないとポンプが動かないみたいなことが起きたこともあるということで、
効率は結構悪かった。
マッチポンプですね。
マッチポンプね、そうそうそう。自分で自分に燃やして石炭を掘り出すみたいなことをやりました。
でも偉かったのは、なるべく局所的に冷やしたっていうことや、動力を出すところとピストンを分けたから、
動力の出し方が自由になったところとかっていうのがすごく評価されたというか、実用に値して、
とってもたくさん流行ったっていうのがポッキーです。
でも効率があまり良くなかったので、もう少し効率を上げたいというふうに考えたのが、皆さんご存知のWattさんなんですね。
Watt?
それはホワットでしょ。
大丈夫?
Wattさんが考えたのは、さっき言っていた冷やすっていうのをやると、せっかく熱いものをもったいないし、
せっかく圧力が高いものを使わない手はないっていうので、
蒸気を使って、さっきのシリンダーの中のバルブじゃないや、ピストンを押すっていうのをやります。
そうすると、圧力の差が大きいから力がたくさん出せます。
36:01
もちろんね、それを作るためには強いものを作るっていうものづくりの進歩っていうのも大事で、
そのために工作機械が高い精度が求められたりするわけですよ。
つながる。
大きい筒を作んなきゃいけないから精度高くね。
で、爆発しないようにしなきゃいけないから。
っていうので、Wattさんは高い蒸気圧を使ってピストンを押す。
で、片方を逃がしてバルブを開けて、
蒸気を冷やすのを蒸気が行ったり来たりするシリンダーの外に持ってきた複数機っていうんですけど、
とか凝縮機っていうんですけど、
なので、シリンダー自体があったかいまま動くから、
蒸気の高い温度の力を出しやすくしたっていうので、
まず、大気圧対蒸気圧っていう、さっき言っていた蒸気は圧力だったり温度が高いから、
その元気さ加減を使って仕事をするってことができるようになった。
ニューコメンのやつは大気が押してたんだけど、
今度は蒸気で押すようになったから、
蒸気の圧力をコントロールするようになって、
同じだけ蒸気を出しても熱をちゃんと力にするっていうふうに使ったんで、
ニューコメンの蒸気機関よりも3倍から4倍効率が良かった。
同じだけ燃料を使っても3倍から4倍の力が出せた。
これは、さっき言ったシリンダーをあったかいまま保って、
水にするっていうのを外に持ってきた。
だから、熱い蒸気を力にするっていうのができるようになった。
話をちょっとだけ戻すと、
魔界像の夜では、ニューコメンからワットのところのやつを読めば、
ある程度それがわかるはずなのに、
そう言われてみればそうだったっていうのを実験するまで、
思いつかなかったっていうのがちょっと大変だったんだね。
なるほど。当然そういうエンジニアの人だったら、
ある程度勉強はしてるだろうけど、
その知識でしかなかったのが、
実際そこでやってみて、
これはあの時代のあそこのことかっていうふうに体験して、
そこで結局中途半端に冷えちゃったとかそういうのが、
おそらく当時もそういったのがあったわけよね、試行錯誤の。
ニューコメンからワットに行くには冷やさない、
シリンダーを熱いままにするっていうのがポイントだったはずなのに、
そこを無視して、
さっき言った圧力とか熱が高ければエネルギーになるって言ったじゃないですか。
だから実験は圧縮空気でやっちゃったわけ。工場の中にはたくさんあるから。
すごいよく動くわけよ。
このままであそこから蒸気がボイラーが何気圧出せば、
39:02
3気圧出せばこれくらいで動くなみたいな話をしてるのが、
偉い人の前で動かないってことが起こって。
ただそれを熱くしたままにするために、
最初にヒーターで温めるとかっていくつかの工夫したり、
断熱材をたくさん入れたりして、それを何とかして本番で動かすっていうのをやるんですけど。
で、もう1チームも、3チームあって、2チームが同じ間だったんだけど、
もう1チームも同じようになってしまって、
そのチームは結局ピストンとシリンダーを使わずに、
空気ドライバーって言って、そのエアの空気圧で動くドライバーとかっていうのがあるのね。
そこに蒸気を通して、ぐるぐるぐるって羽車を回して、タイヤを回すっていうのに切り替えたんですよ。
プラBとして。
で、そっちは羽に当たるっていうところでは、
おっきい、さっき言ったアルミの塊のようなので作ったものよりも、
ずっと温まりやすい。
火熱が小さいんで、最初に温めておくのも楽ちんだし、
気候がちゃんとできてるから、ちょっとエンジニアリング的にどうなのって思うわけ。
そこは設計してないじゃないかと、寄せ集めじゃないかと思うんだけど、
それでも動くようになってっていうので工夫してなんとかなったっていうのがあって、
実はそのチームはうまく動けなかったんですけど、本番では。
なるほど、残念ね。
理屈では結構いい、他のところとはちょっと違うところにアプローチをしてったわけね。
そうそう、プラBがなんとか動いて、施策で動いたみたいなんだけど、
っていうのがあったんですけど、
Wattの蒸気機関のようなものを作るのも、
いろいろ苦労を、やっぱり同じような苦労をしながらやっていくんだなというのが分かりました。
で、Wattは最初、押す力と引く力っていうのを、
一番最初の最初はどちらかというと、
待機圧ぐらいにしてたのを、しっかり蒸気の圧力を使って、
ピストンを押すのと引くのを両方やるというのを組み合わせて、
それをまたね、弾み車っていうのにくっつけて回転運動にする。
回転運動にするといいことは一つあって、さっき言ったC層でもいいんですけど、
ピストンがシリンダーの中のどこにあったら、
こっちのバルブを開けるみたいなことをうまくやるようなものを組み込んで、
自動的に動いたり、スピード調整をしたりするっていうのができるようになったっていうのが、
Wattの蒸気機関のすごいところで。
富岡製糸場に蒸気機関、その富岡製糸場ができた頃に輸入された蒸気機関の、
42:00
複製じゃないや、修理になったかな、修復品というのがあって、
いくつかの部品をね、現代に作ってるんですけど、
基本的な構造は昔のままのやつがあって、
それはWattの蒸気機関そのままで、大きい弾み車があって、
隣の部屋から熱い蒸気がやってきて、
それをシリンダーのこっち側に入れてプシュってやって、
弾み車が回って途中まで行くと、
反対のバルブが開いて、反対側に押してというのが繰り返されるっていうやつだったり、
あとはスピードが速くなると、ぐるぐる回るものがあるんで、
回転によって振り子が開いたり閉じたりするっていう超速機構っていうのをくっつけて、
蒸気の圧力が高いときにはバルブをやや絞り気味にして、
要はスピードをコントロールするっていうのもあって、
一定速度の回転運動ができるようになったっていうのもWattが工夫したとこなんですよ。
そう、それをやることで、これまでね、水汲みというかポンプで水を汲み上げるのにしか使われてなかったものが、
回転運動するものだったら何でも使えるぞってなったわけ。
それで粉引きをしていた水車や風車を蒸気機関に置き換えるっていうのができて、
水車で回していた糸繰り、つまり防石器ね、綿の毛から糸を作るものだったり、糸から織物を作るっていう織り器、食器ね、
っていうものを水車で回していたのを蒸気機関で回せるようになったんで、水車を回すのは原理は簡単だけど水を引いていくのが大変なのよ。
回転から回転だから、運動としてはそのまんまいってたのが、それが蒸気という横方向を回転に変える。
往復運動だったのが回転運動に変わって、なおかつ安定した回転運動になったことで。
しかも調整もできるようになり、いわゆる水力を引いてくるっていうのでは、結局火力を作る、火力っていうか熱を作る施設は必要だけど、
石炭は運んでこられるからね。
水は、水を引いてくるのはすごい大変なのか。
運んでくるのはできないことはないけど。
でも基本的には山の。
川のちょっと近くにないと。
っていう立地がもう条件がついてたのが。
そう、平地の町のどこでも石炭が運び込めるところだったら工場が作れるってことになって。
そこで集中的に工場を作るっていう、家内製糸工業、皆さんの家で手回しで作っていた糸。
手でトンテン管していた織物が。
トンテン管。
水車で、ある限定された場所でしか使えなかった動力が蒸気機関になって、糸を紡いだり、織物を織るっていうのが自動化されて、
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それと、植民地からたくさんの面がやってくるだったり、植民地の方で織物や糸ができるようになるっていうのが作れるようになって、
大儲けをするっていうのが産業革命の一つなわけですよ。
で、結構時間が経ってしまいましたね。
蒸気機関はその後、皆さんが知っている蒸気機関車っていう、ボイラーがすごくでかい、一番でかいのはボイラーね。
石炭を燃やして、その石炭から出た熱をどれだけ効率よく水に伝えるかっていうバカでかいボイラーと、
それを水を蒸気にして、水振力に変えるっていう大きいピストン。
機関車の前の方の左右にくっついている円筒形のね、横向きにくっついているやつが主軸のピストンで、
その中に、ピストンじゃない、シリンダーで、その中にピストンが前後に動くことで、
それをタイヤに伝えて前進するっていう蒸気機関車ができ、
で、それの仕組みは、ワットの蒸気機関と基本構成は変わらないものが使われていて、
それが長く長く使われる。
で、私が見に行った戦艦ミカサっていう日露戦争のときに活躍したイギリスで作られた戦艦も、
蒸気で動くエンジンで、それはさっき言った通り、熱い蒸気を使って、それを仕事にするわけですよね。
圧力と温度を使って。
で、そっから出てくるやつは、まだ1回ぐらいピストンを動かしても、そんなに温度が下がってないんだけど、
それでも最初のときよりは下がっているんで、それを次のシリンダーに入れて、
そのシリンダーは少し大きめにして、温度や圧力が少し下がっても動くようにして、
そっから出たやつをもう1回使って、もっと大きいシリンダーにしてっていう、
3段階で使うっていう蒸気機関で、効率を高めたっていうエンジンを使って、スクリューを動かすっていう船ができたりして。
ってことはどういうことかっていうと、だんだんだんだん蒸気をスピードを落としたり、
だんだんだんだん体積を増やしていって温度を下げるっていうのを効率よくやって、
なるべく冷たいところまで落としていけば、エネルギーをたくさん取れるんじゃないかと思うよね。
さっき言った3つのシリンダーを順番にするっていうのはなかなか大変なんで、どうしたかっていうと、
タービンと呼ばれる太いところからだんだん細いところに行って、
その中を蒸気が伝わっていく間に、自分たちが持っている熱のエネルギーと圧力エネルギーをブレードっていうのに当てて、
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仕事にしながら膨張したり温度が下がっていくのを、まだまだあったかいでしょって言って、
次のところではもう少し広いブレードに当ててっていうのを順番にやっていくっていうのが蒸気。
なんかギアみたいなイメージね。
そう、だからロー、セコンド、サードじゃないけど逆のパターンで、力があるところからだんだんこう。
90度から100度のときはここで仕事をしてください。90度から80度になったらこっちで仕事をしてくださいって言って。
いかに温度を低くしても仕事させてられたわけだ。
蒸気は100度下回っちゃうと水になっちゃうんで、一番最初何度にするかで、最初700度から入れるとか600度から入れるかとかっていうので効率が変わってくるわけ。
働け働けと。
そうそうそうそう。
まだいけるだろ、お前まだいける。
蒸気タービンは20世紀初頭には使われ始めていて、何でもいいから熱源で水を沸かして、熱い熱い高圧の蒸気にした後タービンに持ってきて、効率よくその力を使ってっていうのをやってきて、それが今の火力発電所とかでも使われているタイプ。
で、原子力発電所のほうが少し圧力が低いのかな。圧力を高めすぎると原子炉のほうとの関係性で、なので1次水と2次水を分けるタイプだと高くできたりとかいろいろあるんですけど、
そんな感じで、今使われているものは火力発電所だと、燃焼ガスを使って1個目のタービンを回します。これは水蒸気じゃありません。これ1000度とかあるやつで、もう少し高いのかな、2000度くらいあるやつでタービンを回すっていうのをやると、そのタービンから出てくる排熱はまだ何百度かあるんで、それで今度は。
そこで排熱だけど、まだまだ使える。
そうそう、それで今度は蒸気タービンを回してっていう、何回も引っ張り出すっていうのをやって。
わー、働かせるね。
で、効率を上げてます。で、ニューコメンの蒸気機関は効率、熱効率というのは1%くらいだと。
で、ワットの蒸気機関になって、10%に行くとか行かないとか。で、その後はそんなにね、劇的には高くならなくて、今の火力発電所では、高いものでは40%は超えてるのかな、50%は行ってないのかな、とかっていうのが、
でもまだ。
すごい。
で、今言っていたのは全部蒸気機関というか、何かしらの熱源でね、お湯を沸かすタイプの話をしてたんですけれども、その後内燃機関っていうものが出て、
その実際の燃料をさっき言ったシリンダーとピストンの中に入れて、そこで火をつけて膨張させようっていう熱いものを中で爆発させることでピストンを押すっていうのがあって、
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そういったものも同じように熱機関としてね、効率が計算できて、自動車だと30%から40%っていうのが今一番効率が高いと言われているガソリンを使ったエンジンというのがあります。
ということで、熱くなって運動が盛んになった分子をどうやって仕事をしてもらうかっていうのに不信をするっていうのが蒸気機関というか熱機関の本筋で、
それをうまくやることで効率をだんだん上げてくるっていうのをやりながら省エネを目指してきましたっていう話と、
ニューコメンさん、ワットさん、蒸気タービン。蒸気タービンを発明した人も調べたんですけど、今すぐに名前が出てこないんですけど。
そして効率のいいタービンを熱源と一緒に使う火力発電所、そして産業革命の時に使われた蒸気機関というのがなんとなく頭の中でつながればいいかななんて思っています。
ということで、数式とかを使わず熱力学の話もあまりせず、蒸気機関の話をしたんですけれども伝わったでしょうか。
なんかすごい働かせるって感じね。
お願いは熱力学に詳しい方で、いやいや間違ってるよとか、こんな説明のほうがいいよっていうのがあればぜひ教えてください。
もっともっと、それでも現在でも50倍ってないわけね、その熱っていうものを。
さっき一番最初に話したんですけど、1気圧で20度みたいなところを真空で絶対0度に下げると効率は100%になるわけ。
すごく運動してるやつの運動を全部外に引っ張り出せれば。
なんだけど、何はともあれ我々が過ごしているところは20度ぐらいで1気圧あるから、
理屈上でも何%だっけな、60%超えるのは大変なんじゃなかったかな。そういうのがあります。
じゃあ理屈でも60%超えないぐらいのうちの40%ぐらいを今使ってるってことは、まあまあ結構限界に近づいてると。
そう、だから人間が作っているものはどんどん理想に近づくようになっていますというのは申し添えておきます。
あとね、じゃあ効率がそんなに上がらないのにハイブリッド自動車って燃費がいいのはなんでみたいなのがあると思うんですけど、
車が加速するときに効率が悪い。
もう一個はせっかく車が速いスピードで走ってるのに、ブレーキを踏んだらそれを熱として外に放出してしまうエネルギーを。
っていうのをなんとかするためにブレーキを踏んだら、そのブレーキで車を止めるんじゃなくて、
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車の動きをエネルギーに変えて電池に溜めちゃおうっていうのが、ハイブリッド車というか電気自動車とかがやってる回生ブレーキね。
っていうやつで、電車とかでもね回生ブレーキがあって、電車はブレーキをかけると他の電車のために電力を作るわけですけど。
そういうのを使ったりして、エネルギー効率を上げるっていうのをやっています。
あとは、ものによってですけど、エンジンでも一番効率の良いところでしか動かさないとかね、というのをやりながら効率を上げるっていうのをやっています。
ということで今日は、熱力学のような、そうでもないようなことで蒸気機関の説明をしてきました。
エネルギーは有限なので、皆さんうまく節約しながら、エネルギーといいお付き合いをできるといいんじゃないかなと思っています。
ということで、今日はこの辺にしたいと思います。そんな理科の時間では皆様からのメッセージをお待ちしております。
質問やコメント、あとは励ましのお手紙なども募集しておりますので、ぜひお寄せください。
あとですね、やっぱり感想が来るととても嬉しいです。こんな風に聞いていて、こんなところが面白いと思ってますよ、こんなところはこうしたほうがいいんじゃないですか、みたいなものをぜひ送ってください。
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また、私たち損ないプロジェクトというグループでは、この番組のほかにそんなことないっしょ、損ない雑貨店などの番組を配信しております。
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またですね、メンバーはラジオトークやスタンドFMなどで情報発信を行っておりますので、損ないプロジェクトなどで検索して見つけてみてください。よろしくお願いします。
お願いします。
ということで、損ない理科の時間第478回、この辺にしたいと思います。
お送りいたしましたのは、よしやすと、かおりと、まさとでした。
それでは皆さん、次回の配信でまたお会いしましょう。
さようなら。
また今度。
ごきげんよう。
