物理

日本学術会議の参照基準は、機械工学の土台となる学問を、「熱学」を含む「力学」としています。物の運動、固体の変形と破壊、流れ、熱の 4 つです。大学ではこれを、機械力学・材料力学・流体力学・熱力学の 4 つの力学として学びます。

4 つの力学の入口は、どれも高校の物理にあります。物理基礎の「力のつり合い」は材料力学へ、「運動の法則」は機械力学へつながります。「力学的エネルギーの保存」は流体力学へ、「熱と仕事の変換」は熱力学へと続きます。

電気と磁気の単元も、無関係ではありません。ロボットの関節を回すモーターや、動きを測るセンサーは、電磁気のしくみで動きます。多くの大学では、1 年で物理学や力学を学び直してから、2 年で4 つの力学に進みます。

物理基礎では、物体に働く力をすべて矢印で描き、つり合いの式を立てます。物理では、大きさのある物体(剛体)のつり合いも学びます。物を回す働きの大きさは「力のモーメント」と呼び、力 × 回転の中心からの距離で表します。

身近な例がスパナです。長さ 20 cm のスパナの端に、100 N(約 10 kg の重さ)の力をかけたとします。モーメントは 100 × 0.2 = 20 N·m です。長さ 40 cm のスパナなら、半分の 50 N で同じ強さで締められます。整備の現場では、トルクレンチという工具で、決められた強さまで締めたかを確かめます。

材料力学は、ここから一歩進みます。部品を頭の中で切り、切り口にどんな力が働けばつり合うかを考えます。こうして求めた部品の中で働く力を面積で割ったものが、応力です。応力の考え方は、「材料の強さ」のページでくわしく紹介しています。

物理でつまずきやすいのは、公式がばらばらに見えることです。実際には、運動方程式とエネルギー保存の 2 つから、多くの公式を導けます。まず物理基礎の「力のつり合い」「運動の法則」「力学的エネルギー」を、図を描きながら学び直すのが近道です。

次に、物理の「剛体のつり合い」「運動量」「単振動」、物理基礎の「熱」と物理の「気体分子の運動」へ進みます。問題を解くときは、力を矢印で描き、単位をそろえ、答えの大きさを確かめることを習慣にしてください。この 3 つは、大学の演習でもそのまま役に立ちます。

大学の 1 年では、高校の力学を、微分積分を使って学び直す授業が多くあります。入試で物理を選ばなかった人は、この授業を足がかりにできます。入試で課される理科の科目は大学によって異なるので、志望校の募集要項で確かめてください。

このサイトの高校の「物理」のページと、大学の「物理学」のページもあわせて読むと、高校の単元が大学のどこで深まるかが見えてきます。