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- 流体力学
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- 止まっている流体
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- 02 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
200 N で押して、5,000 N で持ち上げるパスカルの原理と油圧
閉じこめた液体の一部を押すと、その圧力は液体のどこにも同じだけ伝わる(パスカルの原理)。直径 10 mm と 50 mm(面積25倍)のピストンなら、200 N で押して 5,000 N(約 510 kg の重さ)を持ち上げられるが、10 mm 上げるのに 250 mm 押す。仕事はどちらも 50 J で同じ。

このページの内容
この単元のポイント
- 閉じこめた液体の一部を押すと、その圧力は、液体のどこにも同じだけ伝わる。これがパスカルの原理。
- ピストンの直径が 10 mm と 50 mm(面積 25倍)なら、小さいほうを 200 N で押して、大きいほうで 5,000 N(約 510 kg の重さ)を持ち上げられる。
- その代わり、大きいほうを 10 mm 上げるには、小さいほうを 250 mm 押す。力 × 距離(仕事)は、どちらも 50 J で同じ。
片手で、車が持ち上がる
タイヤを交換するとき、車の下に小さなジャッキを入れて、レバーを上下に動かします。それだけで、1トンを超える車の片側が、少しずつ持ち上がっていきます。
人の手の力は、せいぜい数百 N です。ジャッキの中では、何が手の力を何十倍にもしているのでしょうか。
予想してから読む油でつながった2本のピストンがあります。大きいほうの直径は、小さいほうの5倍です。小さいほうを 200 N で押すと、大きいほうは何 N の力で押し上げる?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 車のジャッキの例 |
|---|---|---|
| 小さいピストンを押す力 [N] | 200 N | |
| 小さいピストンの面積(直径 10 mm) | 78.5 mm² | |
| 大きいピストンの面積(直径 50 mm) | 1,963 mm² | |
| 大きいピストンが持ち上げる力 [N] | 5,000 N |
面積の比は 25倍。持ち上げる力は、押す力の25倍の 5,000 N です。質量にすると、9.807 m/s² で割って約 510 kg。乗用車の片側を持ち上げられる力です。
同じ圧力が、広い面を押す
圧力は、どこにも同じだけ伝わる
閉じた入れ物に入った液体の一部を押すと、その圧力は、液体の中のどこにも同じ大きさで伝わります。17世紀のフランスの科学者パスカルが、この性質をまとめました。そのためパスカルの原理と呼ばれます。圧力の単位 Pa(パスカル)も、この人の名前です。
注射器を2本、細い管でつないで水を入れると、片方を押せば、もう片方が押し出されます。太い注射器と細い注射器をつなぐと、押す感じが、指の側でまったく違います。
押す力を、面積で割る
まず、小さいピストンを押して、油に圧力を作ります。圧力は、力 ÷ 面積です。直径 10 mm のピストンの面積は 78.5 mm² なので、
1 MPa は、1 mm² あたり 1 N です。2.55 MPa は、水深約 250 m の海の底の水の圧力(ゲージ圧)とほぼ同じです(静水圧(深さと圧力))。
同じ圧力に、面積をかける
この 2.55 MPa が、油の中をそのまま伝わり、大きいピストンの下の面を押します。面積は 1,963 mm² なので、
2つの式をまとめると、 です。力が増えるのは、同じ圧力が、より広い面を押すからです。
2本のピストンの高さの差による水の圧力()は、10 cm の差でも 1 kPa に届きません。2.55 MPa に比べれば、2500分の1以下なので、ここでは考えません。
力が増えた分、距離が増える
押し込んだ油は、向こうへ移るだけ
力が25倍になって、得をしたように見えます。でも、代わりに払っているものがあります。動く距離です。
油は、押してもほとんど縮みません。小さいピストンが押し込んだ油は、そっくり大きいほうへ移ります。
大きいピストンを 10 mm 上げるには、1,963 mm² × 10 mm = 19,635 mm³ の油が要ります。小さいピストンでそれを押し込むには、19,635 ÷ 78.5 = 250 mm 押さなければなりません。
仕事は、どちらも同じ
力 × 動いた距離(仕事)を、両方で比べます。
どちらも 50 J です。油圧ジャッキは、エネルギーを増やす道具ではありません。「小さい力 × 長い距離」を「大きい力 × 短い距離」に替える道具です。
この交換は、てこや、機構学の トグル機構(小さな力で大きな力)・送りねじ と同じです。どれも、力が何倍になった分だけ、動く距離が何分の1になります。
本物のジャッキは、何度も押す
車を 100 mm 上げるのに、小さいピストンを 2.5 m も押すことはできません。本物のジャッキは、小さいピストンを短い距離だけ押しては戻す動きを、何十回もくり返します。
ジャッキの中には、油の通り道に、一方にしか開かない弁が2つあります。小さいピストンを引くと、油だめから油を吸い込み、押すと、その油を大きいピストンの側へ送ります。弁があるので、送った油は戻りません。
手はレバー(てこ)を押すので、力はさらに何倍にもなります。てこで10倍、油で11.1倍なら、合わせて約111倍です(例題1)。
下の盤は、このしくみを小さなショベルにつないだものです。レバーをこぐと、油が太いシリンダへ送られ、腕がバケットの石を持ち上げます。力が何倍になるかと、1回こいで何 mm 上がるかを、数で確かめてください。
持ち上がる荷 1,000 N は、上限の 1,250 N 以下です。1回こぐたびに、バケットが 4 mm ずつ上がります。
赤く塗った油は、ポンプの下・ホース・シリンダの下のどこでも同じ圧力です(赤い小さな矢印)。朱の矢印の長さは力に比例し、どれも同じ尺度です。手の力・F₁ は短すぎるので、矢じりだけで描いています。圧力計は 0〜40 MPa。針が手の力で作る圧力、外の三角が荷を上げるのに要る圧力です。
てこ比は、柄の支点から手までの長さ ÷ 支点からピストンの棒までの長さです。通路の2つの黒い玉は、油を一方にだけ通す弁です。
力のつながり(いまの値)
柄のてこF₁ = F手 × てこ比 = 40 N × 5 = 200 N
油の圧力p = F₁ ÷ A₁ = 200 N ÷ 78.5 mm² = 2.55 MPa
太いシリンダF₂ = p × A₂ = 2.55 MPa × 1,963 mm² = 5,000 N
腕のてこW上限 = F₂ × a ÷ b = 5,000 N × 100 ÷ 400 = 1,250 N
力の倍率(全体)てこ 5 × 面積の比 25 × 腕 1/4 = 31.25 倍
- 面積の比 A₂ ÷ A₁
- 25 倍
- 持ち上げられる荷の上限
- 1,250 N(約 127 kg)
- いまの荷 1,000 N は
- 持ち上がる
腕のてこは、支点まわりのモーメントのつり合い F₂ × a = W × b です。シリンダは支点の近くを押すので、ここでは力が 4 分の1 に減り、その代わりバケットが大きく動きます。
力が増えた分、動く距離が減る
シリンダの伸びx₂ = x₁ × A₁ ÷ A₂ = 25 mm × 78.5 ÷ 1,963 = 1 mm
バケットの上がりx₂ × b ÷ a = 1 mm × 4 = 4 mm
- 1回こぐと、手が動く距離
- 125 mm
- 1回こぐと、バケットが上がる高さ
- 4 mm
- 160 mm 上げるのに、こぐ回数
- 40 回
- そのあいだに、手が動く距離
- 5 m
ポンプのピストンは、1回に x₁ = 25 mm 動きます(固定)。力は 31.25 倍、動く距離は 31.25 分の1 です。
仕事は、増えない(160 mm 上げきるまで)
手のした仕事32 N × 5 m = 160 J
荷が得たエネルギーW × 高さ = 1,000 N × 0.16 m = 160 J
- いままでに、こいだ回数
- 0 回
- いままでに、荷が得たエネルギー
- 0 J
手の 32 N は、この荷とちょうどつり合う力(W ÷ 31.25)です。ゆっくり上げるなら、F手 の 40 N いっぱいまで押さなくても上がります。
理想の場合の計算です(油は縮まない・漏れと摩擦なし・腕と油の重さは無視・シリンダはまっすぐ上に押す)。実物では、摩擦や漏れの分だけ、持ち上げられる荷は少し小さくなります。 図の長さと直径は、どれも同じ縮尺で描いています。圧力計の針は、手が F手 いっぱいで押しているときの値です。 本物の油圧ショベルは、手の代わりにエンジンでポンプを回し、もっと高い圧力の油を送ります(本文の「つまり、ものを作るときは」)。
公式を、2つのかたまりに分けて読む
- 押して作る圧力 同じ力でも、細いピストンで押すほど、油の圧力は高くなります。
- 圧力を受ける面積 同じ圧力でも、太いピストンほど、大きな力になります。
面積は直径の2乗に比例するので、直径の比が2乗で効きます。
どの数字がいちばん効く?
直径 10 mm と 50 mm、200 N で押す例から、それぞれを10%変えたときの、持ち上げる力の変化を並べます。
| 変えるもの | 持ち上げる力の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 大きいピストンの直径 を10%太く | +21% | 面積が直径の2乗で効く |
| 小さいピストンの直径 を10%細く | +23% | 圧力が、直径の2乗に反比例して上がる |
| 押す力 を10%強く | +10% | 力に比例する |
| 油の種類を替える | 0% | 式に、油の性質が入っていない |
効くのは、2本の直径です。ただし、力が増えた分だけ、押す距離も同じ割合で増えます。
つまり、ものを作るときは
つまり、ものを作るときは
油圧の機械は、高い圧力の油を、ほしい力に合わせた太さのシリンダへ送ります。20 t クラスの油圧ショベルでは、腕を動かす油の最高圧力が 35 MPa 前後です(メーカーの諸元表。目安)。内径 120 mm のシリンダなら、約 40 t の重さを押す力になります(例題2)。
力が大きく、動きが小さくてよい所に向いています。速く大きく動かしたいときは、そのぶん多くの油を送るポンプが要ります。
動かしてみよう
押す力 を変えると、油の圧力の3つの札が、そろって同じ値に変わります。小さいピストンの下・通路・大きいピストンの下、どこでも同じです。
大きいピストンの直径 を変えると、右の断面の円が大きくなり、持ち上げる力が直径の2乗で増えます。赤い圧力の矢印は、長さは同じまま、本数が増えます。荷の箱のマス1つが、押す力 1つ分です。マスの数が、そのまま力の倍率です。
上げる高さ を変えると、ピストンが実際に動きます。2本とも同じ縮尺なので、大きいほうがわずかに上がる間に、小さいほうが面積の比の分だけ下がるのが見えます。右下の勘定で、2つの仕事がいつも同じになることを確かめてください。
試してみよう0 / 3
- 直径はそのまま、押す力 F1 を2倍の 400 N にする。油の中の3つの圧力の札と、持ち上げる力を見る(まだ)
- 押す力は 200 N のまま、大きいピストンの直径 d2 を2倍の 100 mm にする(まだ)
- 初めの直径(10 mm と 50 mm)で、上げる高さ x2 を 100 mm にする。小さいピストンを押す距離を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 油の圧力(ゲージ圧)
- 面積の比
- 持ち上げる力
- 持ち上げられる質量
- 小さいピストンを押す距離
- 仕事(押す側 = 持ち上げる側)
途中の計算(導出)を見る
油の圧力(小さいピストンを押す力 ÷ その面積)
面積の比(直径の比の2乗)
持ち上げる力(同じ圧力が、大きいピストンの面積を押す)
小さいピストンを押す距離(押し込んだ油の体積 = 大きいほうに入る体積)
仕事(押す側と、持ち上げる側で同じ)
よくある勘違い
「力が25倍になるなら、エネルギーも25倍になる」
増えるのは力だけです。動く距離は25分の1になるので、仕事(エネルギー)は同じです。
| 小さいピストン | 大きいピストン | |
|---|---|---|
| 力 | 200 N | 5,000 N |
| 動く距離 | 250 mm | 10 mm |
| 仕事 | 50 J |
実際には、摩擦や漏れがあるので、持ち上げる側の仕事は、押した仕事より少し小さくなります。
「大きいピストンの下ほど、圧力が大きい」
大きいピストンの下でも、小さいピストンの下でも、圧力は同じ 2.55 MPa です。大きいのは、力のほうです。圧力 × 面積 = 力なので、面積が広い分だけ、力が大きくなります。
「油の代わりに、空気でも同じことができる」
力の比は、空気でも同じです。でも、空気は押すと縮みます。小さいピストンを押しても、はじめは空気が縮むだけで、大きいピストンはなかなか動きません。車のブレーキの油に空気が混じると、ペダルが奥まで沈むのは、このためです(例題3)。
車のジャッキに戻る
直径 10 mm と 50 mm のピストンなら、200 N の力で、約 510 kg の重さを持ち上げられます。手で押すのはジャッキのレバーなので、てこの分だけ、手の力はもっと小さくてすみます。
その代わり、車は少しずつしか上がりません。レバーを何十回も往復させるのは、力を大きくした代わりに、距離で払っているからです。
この公式が使える条件
- 液体が押し縮められない(油や水。空気では、縮む分だけずれる)
- 摩擦・漏れがない(実際の力は、これより少し小さい)
- 2本のピストンの高さの差による が、押して作る圧力に比べて小さい
- ゆっくり動かす(油の流れの勢いを考えない)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
圧力が、どこでも同じになる理由:油の中に、2つの点を結ぶ細い棒の形の油のかたまりを考えます。かたまりは止まっているので、両端を押す力が釣り合います。棒の断面積を とすると、、だから です(高さの差による は、ここでは小さいとして除きました)。どの2点を選んでも同じなので、油の中の圧力は、どこでも同じです。
力の比:小さいピストンが油を押す圧力は 。同じ圧力が大きいピストンを押す力は 。
距離の比:油の体積は変わらないので、。
仕事が同じこと:2つをかけ合わせると、
面積の比が打ち消し合います。逆に、「仕事が同じ」と「体積が同じ」から出発しても、力の比が求まります。
例題
例題1 タイヤ交換の油圧ジャッキ
車の片側を油圧ジャッキで持ち上げます。ジャッキにかかる重さは、質量 600 kg の物の重さとします。ジャッキの中の、油を送るポンプのピストンの直径は 12 mm、車を持ち上げるピストンの直径は 40 mm です。ポンプのピストンは、てこのレバーで押し、手の力は10倍になります。摩擦や漏れは考えません。
(1) ポンプのピストンを、何 N で押せばよいですか。手でレバーを押す力は何 N ですか。(2) 車を 50 mm 上げるには、ポンプのピストンを合わせて何 mm 押しますか。1回に 20 mm ずつ押すと、何回押しますか。
ヒント 1 / 2
面積の比は、直径の比の2乗です。持ち上げる力 ÷ 面積の比 = 押す力。
ヒント 2 / 2
押し込んだ油の体積と、持ち上げる側に入る体積は同じです。
答えと解き方を見る
手で押す 53 N は、5 kg くらいの物を持つ力です。てこで10倍、油で 11.1 倍、合わせて約 111 倍になります。
その代わり、手はレバーを何十回も往復させます。ジャッキの中の弁が、押すたびに油を持ち上げる側へ送り、戻らないようにしています。
例題2 油圧ショベルのシリンダ
油圧ショベルの腕を動かすシリンダ(内径 120 mm)に、ポンプが 35 MPa の油を送っています。
(1) シリンダのピストンを押す力は、何 N ですか。(2) それは、何 t の物の重さと同じですか。
ヒント 1
力 = 圧力 × 面積。圧力は Pa(N/m²)、面積は m² にそろえます。
答えと解き方を見る
35 MPa は、1 cm² あたり 3,500 N。手のひらほどのピストンに、自動車30台分くらいの重さがかかる圧力です。
20 t クラスの油圧ショベルでは、作業機の油の最高圧力は 35 MPa 前後です(メーカーの諸元表。機種で違います)。
例題3 車のブレーキ
車のブレーキでは、ペダルの力を強めて、マスターシリンダ(直径 20 mm)のピストンを 1000 N で押します。油は管で4つの車輪のブレーキへ送られ、それぞれの車輪で、直径 40 mm のピストンがブレーキの板を押します。
(1) 油の圧力はいくらですか。(2) 1つの車輪のピストンが板を押す力はいくらですか。
ヒント 1
1 MPa = 1 N/mm² です。面積を mm² で出すと、N ÷ mm² でそのまま MPa になります。
答えと解き方を見る
管が長く曲がっていても、4つの車輪のピストンには、同じ 3.18 MPa が届きます。だから、どの車輪にも同じ強さでブレーキがかかります。
管に空気が入ると、空気は押し縮められるので、ペダルを踏んでも圧力が上がりにくくなります。