油圧

水力学およびその他の研究[ 1 ]
均一な深さの開水路。開水路水理学
エフライム・チェンバース編『百科事典、あるいは芸術と科学の普遍辞典』 1728年第1巻所収の「水力学と静水力学の表」より、水力学と静水力学の図解

油圧（古代ギリシャ語のὕδωρ（húdōr）「水」とαὐλός（aulós）「パイプ」に由来）[ 2 ]は、工学、化学、その他の科学を用いた技術および応用科学であり、液体の機械的特性や使用に関係する。基本的なレベルでは、油圧は気体に関する空気圧の液体版である。流体力学は、流体の特性を用いた応用工学に焦点を当てた油圧の理論的基礎を提供する。流体力学の流体動力アプリケーションでは、油圧は、加圧された液体を使用することで動力の生成、制御、および伝達に使用されます。油圧のトピックは、科学の一部と工学モジュールのほとんどに及び、パイプの流れ、ダム設計、流体工学、流体制御回路などの概念をカバーしています。油圧の原理は、人体の血管系や勃起組織内で自然に使用されています。[ 3 ] [ 4 ]  

自由表面水力学は、河川、運河、湖沼、河口、海域などで発生する自由表面流を扱う水力学の一分野です。そのサブ分野である開水路流れは、開水路における流れを研究します。

初期の歴史

水車

水力の初期の利用はメソポタミアと古代エジプトにまで遡り、灌漑は紀元前6千年紀から、水時計は紀元前2千年紀初頭から利用されていました。その他の初期の水力の例としては、古代ペルシャのカナートシステム、古代中央アジアのトルファン水道、古代メキシコのピエドラス・ボラス水道 などが挙げられます。

マヤ帝国

パレンケ（現在のメキシコ、チアパス州）のマヤ人は、アメリカ大陸で初めて知られている加圧給水システムを設計しました。彼らは下流に向かって大きく狭くなる地下水路（ピエドラス・ボラス水路）を建設し、水圧の原理を利用して6メートル（20フィート）の高さまで水を噴出させることができました。このシステムは、機械式ポンプを必要とせず、噴水や衛生用途に使用されたと考えられます。 [ 5 ]

ペルシャ帝国とウラルトゥ

ペルシア帝国、あるいはそれ以前のペルシア領において、ペルシア人は水車、運河、ダムからなる複雑なシステムを建設しました。これはシューシュタル水利システムとして知られています。アケメネス朝のダレイオス大王によって着工され、ササン朝のシャープール1世に捕らえられたローマの技術者集団によって完成されたこのプロジェクトは、[ 6 ]ユネスコによって「創造的天才の傑作」と称されています。 [ 6 ]彼らはまた、紀元前9世紀頃に地下水路であるカナートを発明しました[7]。[ 8 ]イランの広大な古代庭園の多くは、カナートによって灌漑されていました。[ 9 ]

カナートはアルメニア高原を含む近隣地域にも広がり、紀元前8世紀初頭からウラルトゥ王国はメヌア運河などの重要な水利事業を展開しました。[ 10 ] [ 8 ] [ 11 ]

水車と水車の最も古い証拠は、紀元前4世紀の古代近東にまで遡り、 [ 12 ]具体的には紀元前350年以前のペルシャ帝国のイラク、イラン、[ 13 ]、エジプトの地域で確認されています。[ 14 ]

中国

古代中国には、孫叔澗（紀元前6世紀）、西門豹（紀元前5世紀）、杜師（紀元31年頃）、張衡（紀元78年～139年）、馬鈞（紀元200年～265年）がおり、中世中国には蘇宋（紀元1020年～1101年）と沈括（1031年～1095年）がいた。杜師は鋳鉄を生産する高炉のふいごを動かすために水車を用いた。張衡は、天文観測用の渾天儀を回転させるための動力源として水力を利用した最初の人物である。[ 15 ] [ 16 ]

スリランカ

シギリヤの堀と庭園

古代スリランカでは、古代アヌラーダプラ王国とポロンナルワ王国で水力学が広く使われていました。[ 17 ]水の流出を調節するバルブタワーまたはバルブピット（シンハラ語でビソコトゥワ）の原理の発見は、2,000年以上前の創意工夫によるものとされています。[ 18 ]西暦1世紀までには、いくつかの大規模灌漑事業が完成していました。[ 19 ]スリランカのシギリヤには、国内の園芸や農業のニーズ、表面排水や浸食防止、装飾やレクリエーション用の水路や保水構造物、冷却システムなどを提供するマクロおよびミクロの水力学が設置されていました。遺跡の巨大な岩の上のサンゴには、水を集めるための貯水槽が含まれています。スリランカの古代の大きな貯水池は、カラウェワ (ダトゥセナ王)、パラクラマ サムドラ (パラクラマ バフ王)、ティサ ウェワ (ドゥトゥガムヌ王)、ミンネリヤ (マハセン王) です。

ギリシャ・ローマ世界

古代ギリシャでは、ギリシャ人は高度な水力発電システムを構築しました。一例として、エウパリノスが公共契約に基づきサモス島の給水路（エウパリノス・トンネル）を建設したことが挙げられます。水力車輪の使用例としては、おそらくヨーロッパで最も古いと思われるペラコラ車輪（紀元前3世紀）が挙げられます。[ 20 ]

ギリシャ・ローマ時代のエジプトでは、クテシビオス（紀元前270年頃活躍）とアレクサンドリアのヘロン（紀元後10年頃 - 80年頃）による最初の水圧式機械オートマタの製作が特筆すべきものです。ヘロンは、水力を利用した様々な作業機械について記述しており、例えば、ローマ時代の多くの遺跡から揚水や消防車に使用されていたことが知られている強制ポンプなどが挙げられます。 [ 21 ]

セゴビア水道橋、1世紀の傑作

ローマ帝国では、公共水道、無数の導水路、水車による発電、そして水力鉱山など、様々な水力利用技術が開発されました。彼らは、サイフォンを用いて谷間を水で移動させた最初の人々であり、大規模な水路掘削によって金属鉱石の探査と採掘を行いま​​した。また、家庭用および公共用の給水システム、例えば温泉への給水にも鉛を広く使用しました。

紀元前25年にアウグストゥス帝によって征服された北スペインの金鉱地帯では、水力採掘が盛んに行われていました。ラス・メドゥラスの沖積金鉱山は、当時最大の鉱山の一つでした。少なくとも7本の長い水路が採掘され、水流によって軟らかい鉱床が侵食され、貴重な金が採掘されました。[ 22 ] [ 23 ]

アラビア・イスラム世界

イスラム世界のイスラム黄金時代とアラブ農業革命（8世紀～13世紀）には、技術者らは水力発電を幅広く利用したほか、初期の潮力発電も利用し[ 24 ]、大規模な水力工場群も建設された[ 25 ]。イスラム世界では、縮絨工場、製粉所、製紙工場、籾殻工場、製材所、造船所、スタンプ工場、製鋼所、砂糖工場、潮力工場など、さまざまな水力産業用工場が使用されていた。11世紀までには、アルアンダルスや北アフリカから中東や中央アジアに至るまで、イスラム世界のすべての州でこれらの産業用工場が稼働していた。[ 26 ]イスラムの技術者たちは水車も使用し、水車や揚水機に歯車を採用し、水力源としてダムを利用する先駆者となり、水車や揚水機に追加の電力を供給するために使用されました。[ 27 ]

アル＝ジャザリー（1136–1206）は著書『巧妙な機械装置に関する知識の書』の中で、水時計、ワインを提供する装置、川や池から水を汲み上げる5つの装置など、50種類の装置の設計図を記しており、その多くは水力を利用したものであった。これらには、水差しが取り付けられたエンドレスベルトや、ヒンジ付きバルブを備えた往復運動装置などが含まれていた。[ 28 ]

最も初期のプログラム可能な機械は、イスラム世界で開発された水力駆動の装置でした。プログラム可能な楽器であるミュージックシーケンサーは、最も初期のタイプのプログラム可能な機械でした。最初のミュージックシーケンサーは、9世紀にバヌ・ムーサ兄弟によって発明された自動水力フルート奏者で、彼らの著書『独創的な装置集』に記述されています。 [ 29 ] [ 30 ] 1206年、アル＝ジャザリは水力駆動のプログラム可能なオートマタ/ロボットを発明しました。彼は4体のオートマタ演奏者について記述しており、その中にはプログラム可能なドラムマシンで操作されるドラマーも含まれており、異なるリズムやドラムパターンを演奏することができました。[ 31 ]

近代史

16世紀半ば、イタリアの技術者ジュゼッペ・チェレディは、数学的原理を応用して灌漑と排水の効率性を向上させ、アルキメデスのねじポンプの設計を進歩させ、その開発で特許を取得しました。チェレディの革新は『流水の測定法』（1567年）に記録されており、この技術は南ヨーロッパ全域で広く採用されるようになりました。[ 32 ] [ 33 ] 1619年、ガリレオ・ガリレイの弟子であったベネデット・カステッリは、『流水の測定について』（ Della Misura dell'Acque Correnti ）を出版しました。これは近代流体力学の基礎の一つです。彼は1626年から教皇領の河川管理など水利事業に関する教皇の主任顧問を務めた。[ 34 ] 1500年から1800年にかけてのイタリアにおける水に関する科学と工学に関する書籍や写本は、2022年に出版された図解入りカタログに掲載されている。[ 35 ]

ブレーズ・パスカル（1623–1662）は、作動油の原理を中心に流体力学と流体静力学を研究しました。彼の油圧理論の発見は、油圧プレスの発明につながりました。油圧プレスは、小さな面積に作用する小さな力を、より大きな面積全体にわたる大きな力の適用に増幅し、両方の場所で同じ圧力（または正確な圧力変化）を介して伝達します。パスカルの法則または原理は、静止している非圧縮性流体の場合、圧力の差は高さの差に比例し、外部からの力の適用によって流体の全体的な圧力が変化するかどうかに関係なく、この差は同じままであると述べています。これは、閉じ込められた流体内の任意の点で圧力を増加させると、容器内の他のすべての端で均等に圧力が増加することを意味します。つまり、液体の任意の点に加えられた圧力の変化は、流体全体に減衰せずに伝達されます。

フランスの医師ポアズイユ（1797-1869）は、体内の血液の流れを研究し、血流が発生する管の直径に応じて血流速度が変化するという重要な法則を発見しました。[ 36 ]

19世紀には、いくつかの都市で都市全体に水力発電網が整備され、エレベーター、クレーン、キャプスタンなどの機械を稼働させた。ジョセフ・ブラマー[ 37 ]（1748–1814）は初期の発明者であり、ウィリアム・アームストロング[ 38 ]（1810–1900）は産業規模での電力供給装置を完成させた。ロンドンでは、ロンドン水力発電会社[ 39 ]が主要な供給元であり、同社のパイプはロンドン西部、シティ、ドックの大部分に供給されていたが、ドックや鉄道貨物ヤードなどの単一企業に限定された計画もあった。

油圧モデル

生徒が水力学の基本原理を理解した後、他の事柄を学ぶために水力学のアナロジーを用いる教師もいます。例えば、

  • MONIACコンピュータは、油圧コンポーネントを通る水の流れを利用して、学生が経済学を学習できるようにします。
  • 熱流体の類推では、流体の原理を使用して、学生が熱回路について学習できるようにします。
  • 電子工学と油圧の類推では、油圧の原理を利用して学生が電子工学について学ぶのに役立ちます。

質量保存の要件と流体の圧縮性を組み合わせると、圧力、流体の流れ、体積膨張の間には、以下に示すような基本的な関係が得られます。[ 40 ]

非圧縮性流体、または含まれる流体の体積に対する圧縮性の比率が「非常に大きい」と仮定すると、圧力上昇率が有限であるため、収集された流体体積への正味流量によって体積変化が生じる必要があります。

参照

注記

  1. ^根津家久（1995）『推理学・流通力学』朝倉江書店、 p. 17、ISBN 978-4-254-26135-6。
  2. ^ヒュー・チザム編 (1911). 「水理学」 ブリタニカ百科事典第14巻 (第11版). ケンブリッジ大学出版局. p. 35.
  3. ^ 「循環器系：人間の心臓の水力学」 2017年5月1日。 2017年5月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年3月19日閲覧。
  4. ^ Meldrum, David R.; Burnett, Arthur L.; Dorey, Grace; Esposito, Katherine; Ignarro, Louis J. (2014). 「勃起時の油圧：流入を最大化し流出を最小化する」. The Journal of Sexual Medicine . 11 (5): 1208–20 . doi : 10.1111/jsm.12457 . PMID 24521101 . 
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参考文献

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ウィキメディア コモンズには、油圧に関連するメディアがあります。
ウィキブックスクールサイエンスには、水力学のデモンストレーションに関するページがあります。

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