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図 2 4 年間の流れ()4 年間の流れ 2

2 年: 4 つの力学を学ぶ

材料力学・機械力学・流体力学・熱力学の 4 つの力学を、講義と演習で集中して学ぶ 1 年です。工作実習や製図も本格的になり、図面に描いた部品を自分の手で削る経験もします。

大学の実習工場で旋盤を使って金属を削る学生たちと、奥の作業場で人力飛行機の長い翼を組み立てる学生たち

ひとことで言うと

1 軒の家を、4 人の専門家が調べる

家を建てるとき、柱の強さ、地震の揺れ、風通し、冷暖房の効きは、それぞれ別の専門家が確かめます。機械も同じで、1 台を 4 つの力学という別々の目で調べます。2 年は、この 4 つの目を 1 つずつ手に入れる年です。

01

4 つの力学: 1 台の機械を 4 つの目で見る

2 年の中心は、材料力学・機械力学・流体力学・熱力学の 4 つの力学です。東京理科大学の機械工学科では、4 つとも 2 年の必修で、それぞれ「1A」「1B」の 2 つに分けて学びます。芝浦工業大学の基幹機械コースでも、材料力学 1・流体力学 1・熱力学 1・振動工学 1 が必修です。

4 つの力学は、同じ機械を別の目で見る学問です。ドライヤーなら、落としても割れない持ち手の形は材料力学、モーターの揺れや音は機械力学の問題です。出てくる風の量は流体力学、ヒーターで空気を温めるしくみは熱力学で考えます。

どの力学も、1 年で学んだ微分積分と微分方程式を使います。4 つが分かると、壊れない・揺れない・効率のよい機械を、作る前に計算で確かめられるようになります。

4 つの力学は、どれも 1 年の数学と物理の上に立っています。

図解4 つの力学で考えること

4 つの力学
  • 材料力学部品が壊れないか、どれだけ曲がるか
  • 機械力学動きと揺れ(振動)を計算する
  • 流体力学空気や水の流れと、流れが生む力
  • 熱力学熱と仕事の変換、エンジンの効率

02

講義と演習: 毎週解いて身につける

力学の科目は、講義と演習がセットになっていることが多くあります。東京理科大学では、材料力学・熱力学・流体力学・機械力学のそれぞれに演習の科目があります。講義で習った式を、演習の時間に自分の手で使って問題を解きます。

演習の問題は、図を描くところから始まります。どこにどんな力がかかるかを矢印で描き、つり合いや運動の式を立て、数学で解きます。最後に、答えの単位と大きさがおかしくないかを確かめます。

扱う単位も増えます。力はニュートン(N)、圧力はパスカル(Pa)、エネルギーはジュール(J)です。1 Pa は、1 m² あたり 1 N の力がかかる圧力です。単位をそろえて計算する習慣が、まちがいを大きく減らします。

図解演習の 1 問を解く流れ

入力問題: 部品にかかる力と動きを求める
  1. 1図を描き、力を矢印で表す
  2. 2つり合いや運動の式を立てる
  3. 3微分積分や微分方程式で解く
  4. 4単位と答えの大きさを確かめる
結果答えと、その答えが妥当だと言える理由

03

工作実習と製図: 図面の部品を自分で削る

2 年には、実習工場での工作実習を置く大学があります。東京理科大学では、機械工作実習 1・2 と、加工の方法を学ぶ機械工作法の講義が 2 年の必修です。旋盤やフライス盤などの工作機械で、図面どおりに金属を削ります。

工作機械は、使い方をまちがえると大きなけがにつながります。労働安全衛生規則では、ボール盤などの回転する刃物に手が巻き込まれるおそれがあるとき、手袋を使わせてはならないと定めています。実習は、こうした安全の決まりを学ぶところから始まります。

製図も本格的になります。芝浦工業大学では、2 年の必修の機械設計製図 2 は、機械設計製図 1 の単位がないと受けられません。自分で削った経験があると、加工しやすい図面とは何かが分かってきます。

図解工作実習の 1 日(例)

  1. 9:00安全の確認服装と機械を点検し、注意を聞く
  2. 9:30旋盤丸い棒の外側を削り、段を付ける
  3. 12:00昼休み削った部品を班で見せ合う
  4. 13:00フライス盤平らな面と溝を削る
  5. 15:30測定ノギスで測り、図面と比べる
  6. 16:30片付け・日誌切りくずを掃除し、気づきを記録
旋盤がずらりと並んだ広い実習場で、作業着の学生たちが 1 台の機械を囲んでいる
タンザニアのアルーシャ技術大学の機械工作の実習場。大学の工作実習でも、こうした実習場で班ごとに工作機械の使い方を学びます。写真: Hilda Raphael(CC0・Wikimedia Commons)

04

鳥人間と人力飛行機: 力学を空で試す

授業で学ぶ力学を、課外活動で試す学生もいます。その代表が、読売テレビが 1977 年から開いている鳥人間コンテストです。会場は琵琶湖の東岸、滋賀県彦根市の松原湖岸で、自作の人力飛行機で飛んだ距離などを競います。

機体は、水面から高さ 10 m のプラットホームから飛び立ちます。人力プロペラ機の部門では、沖島側と竹生島側の 2 つの折り返し点を往復します。両方を回りきると、記録は 42.195 km になります。2026 年の大会は第 48 回でした。

東京工業大学(現・東京科学大学)には、「マイスター」というものつくりサークルがあります。2017 年の第 40 回大会では、16,801.28 m を飛んで 15 チーム中 5 位でした。1 年かけて作った機体で、6 回のテスト飛行を重ねて本番に臨みました。翼の骨組みが折れないか、翼がどれだけ機体を持ち上げるかなど、2 年で学ぶ力学がそのまま機体の設計になります。

クイズ2 年の学びクイズ

このページで紹介した内容から出題します。

  1. Q1鳥人間コンテストのプラットホームの高さは、水面から何 m?

  2. Q2回転する刃物に手が巻き込まれるおそれがある作業で、労働安全衛生規則が禁じているのは?

  3. Q3鳥人間コンテストの人力プロペラ機で、2 つのルートを往復しきったときの記録は?

0 / 3 問に回答
青い湖に突き出た高い足場の上の大きなプラットホームと、そこへ続く長い通路
2015 年の第 38 回鳥人間コンテストの会場(滋賀県彦根市)。機体は、水面から高さ 10 m のプラットホームから飛び立ちます。写真: lasta29(CC BY 2.0・Wikimedia Commons)

05

つまずきやすい点: 4 つが一度に始まる

2 年は、4 つの力学の講義と演習が同じ時期に重なります。どれも微分積分と微分方程式を使うので、数学があいまいなままだと、いくつもの科目でまとめてつまずきます。1 年の数学のノートを見直す時間を、早めにとっておくと安心です。

大学によっては、2 年の終わりに 3 年へ進むための条件があります。芝浦工業大学の基幹機械コースでは、2 年の終わりまでに 72 単位以上を取っていないと 3 年に進めません。単位を落とさない計画も、2 年の大事な課題です。

乗り越え方の基本は、演習の問題を自分の手で最後まで解くことです。解答を読んで分かった気になるのと、白紙から解けるのとでは大きな差があります。友だちと解き方を説明し合うと、どこが分かっていないかがはっきりします。

高校生のうちに試せること

  • 鳥人間コンテストの記録を調べる

    公式サイトの「大会の歴史」では、過去の大会の記録をチーム名で検索できます。気になる大学のチームが、年ごとに記録をどう伸ばしたかを調べてみましょう。

    鳥人間コンテスト 大会の歴史
  • 表計算ソフトで落下を計算する

    ボールの速さを、0.1 秒ごとに「前の速さ + 9.8 × 0.1」と足していく表を作りましょう。空気の抵抗を引く項を加えると、速さが一定に近づく様子が見えます。微分方程式を数値で解く入口です。

  • 家電を 4 つの力学で見る

    ドライヤーや扇風機を 1 つ選び、壊れにくさ、揺れや音、風の流れ、熱の出入りに分けて、工夫されている点を書き出しましょう。4 つの力学の見方の練習になります。

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よくある質問

2 年から 3 年に進めないことはありますか?

大学によってはあります。芝浦工業大学の基幹機械コースでは、2 年の終わりまでに 72 単位以上を取ることが 3 年に進む条件です。条件は大学ごとに異なるので、入学後に配られる履修の手引きで確かめてください。

工作実習でけがをしないか心配です。

実習は安全の決まりを学ぶところから始まり、教員や職員の指導を受けながら進めます。回転する刃物の近くでは手袋をしないなど、決まりを守ることで危険を減らせます。

演習の問題が解けないときは、どうすればよいですか?

まず図を描き直し、力の向きと大きさを確かめます。それでも解けないときは、演習の時間に TA や教員に聞くのが近道です。同じ所でつまずく人は多いので、早めに聞いてかまいません。