はじめに：機械力学を学ぶ意義と書籍紹介の背景
こんにちは、つねぞうです。
デザイン・リビューFM第138回目。
このデザイン・リビューFMは、世の中の様々なもの、主に工業製品について、
私の主観で勝手にデザイン・リビューをしていこうという番組です。
今回はですね、モノづくりのラジオというポッドキャストをやっている支部長さんから、
機械力学をゼロから学べる本を紹介してほしいと、ちょっと言っていただけたので、
そちらをね、紹介していこうかなと思っております。
支部長さんのモノづくりのラジオ第185回目ですね。
春の本祭り、ゼロから機械工学を学べる本、おすすめ5選という配信の中で、
新年度、これから機械工学を学びたいという方へ、
例えばその未経験で機械の設計職に転職してきた方とか、
現場でその機械加工や組み立てをしているんだけど、
もっとその本質的なところを学びたいという方とか、
あとはもちろんその春から工業高校だったり、
高専、大学に進学して機械工学を学びますよという学生さんですね。
そういった方に対してその機械工学のベースとなる4力、
材料力学、流体力学、熱力学、そして機械力学の4力について、
ゼロから学べる本を紹介しましょうという番組でした。
この支部長さんのものづくりのラジオの番組の中では、
はじめの3つですね、材料力学と流体力学、そして熱力学については、
おすすめの本を紹介してくださってたんですけれども、
機械力学についてはクリティカルな一冊を見つけられていないということで、
私のツネ像のほうに紹介してくれないかと話を振っていただきましたので、
今回そういう流れで紹介いたします。
この支部長さんのポッドキャストと、
あとブログか、支部長さんの支部長技術研究所のブログのほうの記事として、
紹介している記事がありますので、そちら概要欄にリンク貼っておきますので、
そちらも参考に見てみてください。
機械力学とは何か？
ということで、機械力学ですね。
機械力学について学べる本ということで、
私も本棚のところから、学生の時に使っていた本を引っ張り出してきたんですけれども、
改めて見てみても、なかなか良くなかったというか、難しいんですよね。
なかなかイメージしづらい、勉強しにくい本だなと思ったので、
他に良さそうな本がないか探してみました。
2冊、今日は紹介したいと思いますので、参考にしていただけたらと思います。
まずは、そもそも機械力学とは何かというところなんですが、
支部長さんの先ほどのブログから引用いたしますと、
機械力学というのは、物の動きを扱う学問で、
振動・運動・力の伝達を数式で記述していきます。
回転する軸がどんな振動を起こすか。
強振はなぜ起きるのか。
機械の基本は動くもの。
なので、その動きの根本法則を理解するための学問です。
ということで、振動もそうなんですけれども、
もっと根本的なところから、この機械力学というのは始まっていて、
力ですね。力とは何かというところから始まるんですけれども、
機械力学の実例：アルテミス計画とロケット打ち上げ
ある物体、例えば車みたいなものが、
時速何キロメートル、毎分、毎秒、
何分進む時の距離はいくつですかとか、
小学校、中学校でやったような速度とか加速度というところの考え方から、
車が10度の坂を登る時に必要な力はいくつかとか、
あと最近のホットな例だと、アルテミス計画って皆さん知ってますかね。
人類を再び月へ送ろうという壮大な計画なんですけれども、
アルテミス計画の第2段階、アルテミス2というものが、
最近行われていまして、人類の宇宙飛行士ですね、宇宙飛行士4人を、
月の周回軌道までロケットで送って地球まで戻ってくると、
月に着陸はしないんですけれども、月の周りをぐるっと一周回って帰ってきますよというミッションが、
最近行われていまして、ちょうど昨日ですね、
今日は収録しているのは4月12日、日曜日なんですけれども、
ちょうど昨日4月11日に無事地球へ戻ってきたところです。
もう私リアルタイムで戻ってくる様子を見ていたんですけれども、
無事パラシュートがバッと開いてね、海へ着水した時は感動しましたね。
よかった、無事に戻ってきたなと。
最近いろんな通信、スターリンクのような通信技術が発達しているおかげで、
本当に打ち上げの瞬間から月まで行って帰ってくるという、
一連の様子が映像で見れるんですよね。
そういったYouTubeとか、宇宙系のYouTuberのうすいクリアという方がいらっしゃるんですけれども、
その方の推しというか、非常に応援していまして、
その方のYouTubeを見ながら、よくこういったロケット関係のものを追っているんですけれども、
その機能もね、うすいクリアというVTuberの方のYouTubeを見ながら、
地球へ戻ってくる様子を見ていました。
月まで行って戻ってくるというこの素晴らしいミッションもですね、
機械力学があるからこそ成功したと言っても過言ではないというところで、
まずそのロケットを打ち上げることを考えてみようと思うんですけれども、
ペイロードというその打ち上げるためのロケットで打ち上げる荷物ですね。
今回で言うとその宇宙飛行士4人が乗った宇宙船のオリオンというものがペイロードに当たるんですけど、
あとそれを打ち上げるロケット自身ですね。
ロケット自身の重さもあります。
それを合わせた重量をロケットで宇宙へ打ち上げるというところなんですけれども、
今回のアルテミス計画、アルテミス2で使われたSLSロケットはですね、
ペイロードと合わせて2600トンということで、
2600トンってね、なかなか想像しにくい重さですけどもね、
そういったすごい重たいものを宇宙まで打ち上げると、
そのためにはどんだけの力、どれだけの推力を出さなきゃいけないのか、
というものを考えるのが機械力学なんですね。
もう少し考えていくと、ロケットを打ち上げるときにどんな力が働くかというと、
まず重力ですね。地球に引っ張られる力、重力が働きますね。
そしてその大気圏内であれば空気抵抗、その空気から受ける力、
抵抗というのもあります。
打ち上げの途中で空気から受ける、空気抵抗の力というのは変化するんですけども、
その空気から受ける力が一番大きくなる地点のことをMAXQというんですね。
日本語では最大動圧点というんですけど、このMAXQに到達するまでというか、
そのMAXQを耐えられるかどうかというのがロケットの設計の一つのキーポイントだと。
一番力がかかるところで壊れないようにするというのが一つのポイントだという話を聞いたことがありますけれども、
そういう変化していく空気抵抗を考えたり、
あとはロケットの重量も変化していくんですよね。
打ち上げた瞬間から燃料をバーっと使ってすごい燃やしてますから、
その燃料がだんだん減っていくと、そのロケット自体の重量も軽くなるし、
そのロケットの横についているブースターというものがあるんですけど、
そのブースターの燃料を使い切るとバーっと切り離して捨ててしまいますから、
それも軽くなるというところで、
ロケット自身の重量もだんだん軽くなる。
空気抵抗もだんだん変わっていくという力のバランスというか、
釣り合いを考えながらどれくらいの力が打ち上げるためには必要かというところなんですが、
ここまで考えていくと、なかなかその基本的な機械力学を超えてくる範疇になってきて、
宇宙工学とかロケット工学というような、もう少し専門的な分野に入ってくるんですけども、
そのベースとなる部分というのは機械力学なんですね。
機械力学を学ぶ上での心構え：問題作成能力の重要性
初めてそういう機械力学を学ぶ方々に伝えたいことというか、
これは四力全てに言えると思うんですよね。
機械力学に関わらず四力全てに言えることだと思うんですけども、
教科書とか参考書に載っている問題というのは非常に親切なんですね。
そもそもこの問題を解きなさいと言ってくれるという時点でものすごい親切で、
重量はいくつですよとか、速度はこれくらいでとか、
空気抵抗は無視しましょうとか、摩擦力はないものとするとかね。
ある意味その言い方が悪いかもしれないですけども、
誰でも解けると。公式を覚えれば。もう覚えなくてもいいですよね。
教科書を見れば書いてますから。公式を見れば誰でも解けてしまう。
ただ実際は違うんですよね。
そういった仕事で設計とかする上でこの機械力学を使う時には、
その問題を自分自身で作らないといけないんですね。
自分が機械の部品を設計する時にある動作をさせたいという時にですね、
この部品にはどんな力がかかるだろうかとか、
エアーシリンダとかモーターとかで力を与えようと思った時に、
どれくらいの力を与えたら動かしたいように動くだろうか、
どんな力が働くのかというイメージをして自分で問題を作らないといけないんですよ。
そのイメージする力というのを鍛えるためには、
まずやっぱりね、紙に図を書いてみるのがいいと思うんですね。
パソコンでもいいですけど、図を書いてみると。
ものすごい簡単な例を挙げると、まず床がありますと。
バーッと水平な線を描きますね。床があります。
床の上に箱が置いてありますと。
まずそこにどういう力が働くかというと、重力ですね。
箱自体に重力がかかっているので、下向きに重力がかかっていますよと。
床があるので、箱がそこで止まっていますね。
その隣に人がいます。
人がこの箱を横に水平方向にある力で押していますよと。
横向きの矢印を書いて、人が押しているようなイメージを書いて。
その時にどういう力が箱に働くかというと、
重力が働いていて、その重力のせいで床と箱の間には擦れる力、摩擦力が働きますよねと。
摩擦力はこれぐらいになるので、その箱をこれぐらいの速度で動かすためには、
人はこれぐらいの力で押さないといけないよとか。
そういうイメージをするんですよね。
絵を書いて、かかる力を考えてみて、そこから自分で問題を作ってみると。
そういう問題を作れる力というのが非常に求められるところであります。
ということで、前置きが非常に長くなってしまったんですけども、
この図で考えるというのがやっぱり機械工学では非常に大事だと思うんですよね。
なのでそういう本をちょっと紹介したいと思います。
おすすめ書籍紹介①：絵解きでわかる機械力学
1冊目、絵解きでわかる機械力学。
ホームシャさんですね。
私が買ったのは第2版なんですけども、絵解きでわかる機械力学ということで、
力とは何かというところから紹介してくれてるんですけども、
非常に絵が多くて、力とは何か。
重力、弾性力、張力、摩擦力、負力といろんな力がありますよというところから、
力の合成分解だったり、力の釣り合い、重心という考え方だったり、
質点、まずは質点ですね。
その点、ある点が動く時のことを考えるんですけども、
速度とか加速度とか、落下、放物運動とかね。
さっきのロケットなんかは放物運動しますから、などなど。
非常に絵がそれぞれたくさん描いてあって、
例題もいくつかあって、
ちゃんとその例題の途中の考え方というか、
こういうふうに式を展開していくんだよというのも書いてくれてますので、
非常に勉強しやすいと思いますね。
その各章ごとに問題もいくつかあって、
本の最後の方にね、その問題の答えもちゃんとその途中の考え方と合わせて書いてありますので、
一人でも勉強しやすいと思います。
自分で勉強しやすい本だと思いますね。
絵解きでわかる機械力学が1冊目。
2冊目なんですけども、これメリアムカラー使い機械の力学というマルゼン株式会社さんの本なんですけども、
2冊目と言いましたらこれ実は2冊組です。
カラー使い機械の力学の出展の力学編と交代の力学編。
2冊あります。
こちらそのメリアム博士というアメリカの大学の先生がいらっしゃって、
その先生が書かれた本。
アメリカの大学の方ではよく定番の教科書として使われている本があるそうで、
それを日本語に翻訳したものとなっています。
カラー使いと書いてある通り、その中にそのカラーで図がたくさん書いてあって、
基本的には問題のところですね。
最初の式の展開とかそういうところもちらほが絵はありますけれども、
例題とか問題が非常にたくさん載っているんですね。
それぞれの問題に対して絵が書いてあるので、
どういう力が働くのか、
どういう力を今これから求めようとしているのかというのが非常にわかりやすくなっています。
先ほどちょっと話したようなロケットを打ち上げるようなイメージの問題もありますね。
非常に絵が豊富なんですけれども、
一つお勧めできない点があって、問題はたくさん載っているんですけれども、
答えがないんですね。答えが載ってないんですよ。
この本の最初の方を見てみると、
これを教科書として使う先生用の回答集というものが、
出版社の方に連絡すると入手できるそうなんですけれども、
この本にはその答えがないので、
なかなか一人でこの本を使って勉強しようと思うと、
そこはちょっと難しい部分なのかなというところが一つお勧めしにくいところですね。
ただ、問題がたくさんあって、
いろんな種類のものが書いているので、
こういう力も計算できるんだというのが図鑑的な感じでわかるというか、
図鑑的な感じでこういう計算もできるんだねと、
こういうふうな考え方をすればできそうだなというヒントにはなるのかなと思います。
まずは一冊目に紹介した絵解きでわかる機械理学というものをまずはお勧めしますね。
これを読んでみてほしいです。
これを出発点として、もう少し難しいものを難しいところに挑戦したいなという方は、
このメリアムのカラー遣い機械の力学を挑戦してみてほしいなと思います。
おすすめ書籍紹介②：メリアム・カラー使い機械の力学
ということで、今日はですね、機械力学をゼロから学べる本ということで、
3冊ですかね、正確には3冊紹介いたしました。
ぜひこれを使って勉強してみてほしいなと思います。
リスナーからのコメント紹介
続きましてポッドキャストにコメントをいくつかいただいてますので、
そちらを簡単に紹介したいと思います。
まずはマロさんですね。
マロさんからですね、個人の知識を集約するようなデータベースどうしてますかという質問をいただいて、
それに対して133回でその回答をしたんですけども、
それに対するお便りをまたいただきました。
ありがとうございます。
なかなかね、私の会社ではそういった個人の知識をまとめてデータベース化する仕組みがすでにあるので、
それに乗っかってますよという話をしたんですけども、
なかなかゼロからそれを構築しようと思うと難しいですよね。
ちょっとやれるところからやるしかないのかなと思うんですけども、
頑張ってみてほしいなと思います。
続きまして翔佐さんからですね、136回の今週のモヤモヤの話に対するお便りです。
これはX上でのトラブルというか、ちょっとモヤモヤしたことがあったよというお話に対するコメントだったんですけども、
ちょっと個人的な内容も書いてありましたので、中身についてはここでは紹介しないですけども、
最後まで読ませていただきました。ありがとうございます。
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エンディング
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ではお疲れ様でした。
完全に。
