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科学技術社会のエネルギーと運動力学(理科基礎)

毎日が酷暑の日本列島である。エネルギー大量消費構造の社会になっている。昔に比べて特別に気温に敏感な人間になった訳ではないだろう。熱中症で救急搬送される人が増えている。熱中症対策で、適切に冷房をするように言われる。冷房機の運転は熱エネルギーの放射現象を利用する科学技術である。部屋の掃除に掃除機を利用する。掃除機の放出空気の温度は相当なものである。科学技術の利用はそれだけでエネルギー消費に基づいて、地球温度上昇を進める。そんな意味を考えて図に纏めてみた。

科学技術とエネルギー科学技術とエネルギー 科学技術を支えるのに電気エネルギーが欠かせない。地球の地下深くに埋蔵された化石燃料の利用法を開発し、あらゆる科学技術の利用のエネルギー源として発電技術が重要な基盤となっている。考えてみれば不思議な事である。化石燃料の石炭、原油あるいはウラン核燃料がエネルギー源の大半を成している。不思議と思うのは、その資源は何が造り出したかという事である。地球が自分自身で作り出せはしない。みんな太陽が地球に産み出した資源である。太陽はこの渦状天体系のあらゆる根源を成している。この系で現在活発な生命現象を繰り広げているのは地球だけである。この太陽系の全体の物理現象を考えても、地球自身を含めて、何にも分からないことばかりである。地球上に展開される生命の不思議な仕組みは、その根源で太陽が仕組んだ自然の営みである。これはその存在する姿そのものが自然の女神の仕掛けと思える。それは神の仕業である。100年程の間に、人が創り上げた地球上の生活環境は当然人のための幸福を目指して来た筈なんだろうが?その目指して来た目的の大半に到達したと言わなければならない状況になった。太陽が創り上げた地球の生命の楽園を、人の欲望という極めて人間的な特性によって過酷な競争の世界に変えつつある哀しさを否定できない。『エネルギー』の過剰な利用は地球の生命を人が抹殺しようとする仕組みにしている。絶滅危惧種などと言って、『エネルギー』の大量消費の弊害には目をつむって、生命の多様性を破壊し続ける科学技術社会には正当性があるだろうか。もう科学技術は完全に飽和状態に達してしまったのだ。革新など殆どその余地はない。家庭電化製品はじめ、自動車などほんのわずかな改良の過当競争に神経を擦り減らすだけの『幸福感より不満足感?』しか残念ながら残っていない。科学技術の未来を思った時、地球環境の安全性への不安がよぎる。

目標と制御目標と制御 科学技術の制御系は適正な安全性をフィードバックによって叶えている。しかし、地球環境の未来の安全性は危機迫る状態だ。人間だけの為の生物多様性を無視する現状は人間の生存をも脅かす。

人の体温の意味 体温、気温は生命の活動を決める『生命維持基準』である。人の体温が2度上昇したらどうなるでしょうか。海水温が2度上昇したら、海洋生物の生存・活動領域はどうなるでしょうか。マグロ養殖の為にサバの乱獲が放置されて、サバを食べることが出来なくなっている。小さいサバだけしか売り場にはありません。資本主義競争の際限ない人の欲望に任されている現状は、誰が未来の安全性を守らなければならないのでしょうか。政治指導者の責任でしょう。科学者も哲学者であって欲しい。

『エネルギー』と『エネルギー保存則』の意味について 人間の未来を考えるに『エネルギー』の意味を理解せずには不可能である。『エネルギー』は運動エネルギーと位置エネルギーなどという教育では酷過ぎないか。『エネルギー』は理科教育の眼目である。気体分子運動論が地球温暖化の解決への基礎教育に役立つだろうか。『エネルギー』とは何かと考えてもはっきり定義するだけの能力はない。エネルギーと空間と質量で少し分類を試みた。しかし満足出来ないので、未だ山の途中に居る心境だ。先日歩きながら考えた。電気エネルギーと熱エネルギーと光エネルギーについて違いは何かと。『エネルギー』が存在する場・空間は大きく分けて、『真空』と『物質内』の二つである。電線路内も含めてコイル、コンデンサ更に炭素抵抗、誘電体、磁性体その他あらゆる原子・分子結合のあらゆる結合格子空間が『物質内』と看做せよう。その物質内から解放された自由空間の極限が『真空』となろう。特に電気エネルギーは特別に閉鎖された空間内に囲まれている訳でもないのに、電線路の空間に纏わり付いて存在すると看做すと、『エネルギー』の塊としての慣性的な重い特性を持っていると同時に光速度流の素早さを兼ね備えている不思議な『エネルギー』に思える。極限状態の『エネルギー』は「光」であり、その光エネルギーは『真空』の場においてその本領を発揮する点で特別である。炭素抵抗内に入る電気エネルギーは再び電気エネルギーに戻ることはない熱エネルギー・光エネルギーとして放射される。そんな『エネルギー』の状況を絵で表現してみた。

エネルギーと壁エネルギーと壁 結晶格子・分子結合格子等の囲まれた空間内の『エネルギー』が存在する状況を表現した。

壁の開放壁の解放 光源、蛍光物質等から光の『エネルギー』が放射される。量子力学では原子外殻電子の運動エネルギー論で解釈されている。『エネルギー』が格子空間の壁から解放されるにはその壁の構造が変化して『エネルギー』解放をすると考えたい。エネルギー貯蔵物体の形状だけでなく、電気回路のコンデンサなどはそのコンデンサ外部空間のエネルギー分布状況での変化が『エネルギー』解放の引き金にもなると考えたい。

エネルギー保存則の意味は地球環境の問題としても考えるべきである。消費するエネルギーはどこに行くかを理解するには『エネルギー』とは何かを理科教育として適切に対処する必要がある。『エネルギー』は光と熱と質量の間で変換するのである。運動エネルギーと位置エネルギーで理解できる筈はない。

『運動力学』 昔の砲術理論じゃあるまいし、放物線では力学の日常性が見えない。超高層エレベーターなど日常生活の科学技術に視点を向けた理科教育でなければ意味がない。エレベータは地球の重力加速度との関係と深いかかわりを持ち、しかも人の運動感覚とも繋がる市民の日常的生活において、とても現代的運動力学の問題であろう。ここにエレベータの力学問題を取り上げようと考えた。しかし、問題が複雑で考え直さなければならない疑問にぶつかってしまい、別の記事として取り上げることにした。ニュートン力学の f=mα[N] の加速度の意味が分からなくなったからである。エレベータが静止していれば、人には重力加速度の力が掛る事になっていよう。それなら、人が加速度α’=1[m/s^2] で上昇する時、人に掛かる力は重力加速度g[m/s^2]と加速度α’=1[m/s^2]との合成加速度になるのじゃなかろうか。従って、f=(1+g)m[N]の力になる。運動力学論(f=mα)とどう整合性をとれば良いかが分からなくなってしまった。御免なさい。エレベータの話は無しにして、回転動力の力学の話とする。なお、ニュートン力学 f=mα[N]の式の意味は、どんな場においても重力加速度g[m/s^2]の影響下で考えなければならない。αの中には常にgを含めて考えなければならない。だから空間的な距離の加速度とは意味が違うのだ。従って、実際には単純に加速度と質量で力とはならない。無重力空間の場で初めて、加速度と力の関係f=mαが成り立つのだろう。

%e8%bb%b8%e3%83%88%e3%83%ab%e3%82%af%e3%81%a8%e5%8b%95%e5%8a%9b軸トルクと動力。現代生活の基を支える運動機能は回転運動である。船のスクリュウも飛行機のジェットエンジンもクーラーの空気圧縮器のモータもみんな回転運動だ。上下運動のエレベータも巻上げ駆動モータの回転運動に頼っている。なかでも回転運動の限界に挑戦しているのが汽力発電所(水蒸気タービン発電所)であろう。(図の軸回転数で、原子力発電機・タービンでは大容量であるため1800rpm、1500rpmの4極発電機に成っている事を追記する。2017/12/06)

軸は一つの鉄鋼の塊(記録の鉄鋼の塊は600ton程?)から切り出して造るのだろう。その製造技術には計り知れない技術者の血と汗が隠されている。軸の直径d[m]がどれ程かを知らないが、人の身長ほどあるのだろうか。ロータの破裂失敗事例〉長崎のタービン 等に示されるように、科学技術への多くの挑戦が隠されている事も知っておきたい。鉄鋼の塊として、発電機回転子の磁極を埋め込む部分まで一体構造なのであろう。そんな巨大な回転体が高速回転して電気エネルギーを発電しているのだ。力の作用反作用と同じく、トルクも発電機側の負荷トルクτlに対して僅かに蒸気タービンの駆動トルクτが強いから規定の高速回転が保持され、エネルギーが発電機側に供給できるのである。そのエネルギー伝達の機能を担うのが軸である。丁度雑巾をしぼる時に回転ねじのような捩れが起きる。軸にねじれの応力が掛りその応力に耐える強度が軸には要求される。目に見えないエネルギーの流れが軸を通して伝達されているのだ。軸の鉄鋼にその性能が要求されている。そんな意味を回転運動の動力 p=ωτ[W] (実際は[MW]である)の式は持っている。

地球と運動力学 運動力学は自然科学の古典的学問分野であろう。しかし地球の運動を考えるとその真髄に辿りつけない自分が居る。多くの疑問がのしかかる。そんな疑問を解けないかと考える空間図を描いた。

%e5%9c%b0%e7%90%83%e3%81%a8%e3%82%a8%e3%83%8d%e3%83%ab%e3%82%ae%e3%83%bc%e3%80%80地球とエネルギー 地球の運動エネルギーは幾らなんだろう。地球中心のエネルギーはどのように捉えるのだろうか。地下の圧力エネルギーはどう解釈するのだろうか。位置エネルギーとは何か。そんな妄想の虜になる切なさ。

汽力発電所(原子力、重油火力等の水蒸気タービン発電方式) 世界が電力を利用する未来は海の海水温度の上昇と人の生活環境(食料・住居)を破壊する危機を覚悟しなければならない。『復水器』で海水を加熱する科学技術であるから。

パワーフローパワーフロー 古いファイルではあるが参考に載せる。

電気回路要素のエネルギー(数式と意味)

電気回路要素と言えば、コンデンサ、コイルおよび抵抗が浮かぶ。いつものように研究と言えるものではないが、教科書の電気回路論の基礎を少し深く考えてみようと思った。『電荷』の概念を否定する視点から、回路要素における『エネルギー』の意味を考えてみよう。黒板にチョークで板書しながらの講義の心算で、進めてみよう。実は、コンデンサの強誘電体特性について、電気回路論の従来の要素解釈では理解困難であることに気付いた。その事が基に在って書きだした。即ち、『電荷』による誘電分極という解釈に無理があると考える。その事からエネルギー貯蔵要素の機能を根本から考えてみようと思った。内容は教科書の中味の話でしかないが、科学・理科教育という面からは大切な問題を含んでいるだろうと考える。

線路の回路要素と電力 街中の配電線路に電気回路要素が繋がれているとする。

回路要素とエネルギー電線路の要素エネルギー 電線路には電源から電圧というエネルギー密度分布の規模でエネルギーが供給されている。回路技術論としては電圧、電流で誠に巧い概念構成が理論的に構築されている。回路要素で基本的には『エネルギー』の処理が問題なのであり、電流や電圧が欲しい訳ではない。その回路要素の『エネルギー』の状態を理解する必要があろう。理論的に評価するには数式で表現する手法になる。

電圧と電力電圧と電力 電圧という電線路空間内のエネルギー分布の場に回路要素を繋げば、その要素にその場の空間からエネルギーが供給される。交流電圧であれば、空間エネルギー分布も電源周期に従って、常時変化する。コンデンサやコイルの場合は、内部損失がなければ、電源周期に従って要素と線路空間の間で『エネルギー』の吸収・放出が繰り返される。それに対して抵抗の場合は、内部に吸収されたエネルギーは線路空間にエネルギーが戻されることなく、すべて熱や光として変換消費(動力機械ではモーターなどの等価抵抗負荷分の消費エネルギーとなる)される。図①の抵抗のエネルギーWr[J]に?を点けた。抵抗体には内部貯蔵エネルギーを評価する方法はないだろうと言う意味である。

電力と貯蔵エネルギー 回路要素の貯蔵エネルギーは線路電圧とその周期によって決まる波形に依る。正弦波電圧波形で、波高値V[v]、周波数f[Hz]、角周波数ω[rad/s]とする。

コンデンサ、コイルの電力コンデンサ、コイルの電力

抵抗の電力抵抗の電力

電力と供給エネルギー供給エネルギー 電力の積分で供給エネルギーが計算されるだろうと式で表した。各エネルギーwc,wlおよびwrは単位[J]である。数学的には不定積分で、積分定数が必要と指摘される。積分定数の意味は実際の技術計算では殆ど意味を持たないとしか言いようがない。三角関数による表式の意味を波形上に示そう。

コンデンサの関係波形

コンデンサのエネルギーと式コンデンサの関係波形 ここでは各波形の形状だけを示すので、大きさ・振幅は1とする。コンデンサの貯蔵エネルギーWc[J]は当然ながら負の貯蔵エネルギーということはない。それは図の青い色の波形になる。

コイルの関係波形

コイルのエネルギーと式コイルの関係波形 (漢字の式の字に間違い)この図には、コンデンサの場合も同じく、多くの問題がある。電源電圧v=Vsinωt において、時刻t=0の時間基準は書けないのである。回路電圧に対して、回路要素をスイッチオンして接続してから、どれ程の時間が経過したらこのような定常状態に達するかを計算できないのである。だから無限の時間経過後の波形である。それは微分方程式を解く段階で、電源電圧周期のどの時刻にスイッチを投入するかで過渡現象が変化する筈であるが、それは微分方程式では答えが得られないのである。従ってコイルの貯蔵エネルギーWL[J]を算定するには、定常状態の電流値il[A]に基づいて計算する以外ないのである。それでは、電力の積分で計算した結果のwl[J]は波形では、cos 2ωt のように、コイルの貯蔵エネルギーが正負に振動する結果になってしまうが、求める結果でない。このwlは、cos2ωtの正負の脈動波形でコンデンサと同じく求める貯蔵エネルギーが負になる筈がないから、貯蔵エネルギーではない。求める貯蔵エネルギーは青色のWLの(cosωt)^2^の波形である。

抵抗のエネルギー 抵抗体はコンデンサ、リアクトルとは異なったエネルギーの意味を持つ要素である。エネルギーを内部に取り入れる点では同じであるが、その内部で熱の形で貯蔵し、電源に回生・返還することはない。

抵抗のエネルギー抵抗のエネルギー 抵抗への電力は時間積分で、消費エネルギーが単調に増加する意味になる。

電気現象解析における数式の意味 ⑥、⑦の波形で、電力の不定積分wcおよびwlは一体どんな意味を表現していると解釈すれば良いのだろうか。数学的な計算処理によって得られた結果は数学的に自然現象を説く鍵になっているのだろうか。最近『電荷』概念を否定せざるを得なくなって、『クーロンの法則』で表現する数式の意味にどれ程の自然現象解釈の有効性があるのかと、数式の論理性を疑わざるを得ない心境になってしまった。身近な電気現象解釈に数学的解析手法がなくてはならないことは確かである。それ以外に理解の手助けになる便利な方法がないのである。数学は自然解釈に金科玉条的な、特別の優位性で取り扱われるようであるが、数学で『電荷』の存在を証明できる訳ではないことを考えれば、自然に向き合う場合の数学的意味合いを考え直してみたくなった。さて話を元に戻して考えよう。エネルギーwc、wlの不定積分式は電気現象としては殆ど何の意味をも表していないようだ。回路要素のコンデンサ、リアクトルの貯蔵エネルギーの任意の時刻における瞬時値は、Wc=(1/2)v^2^/C   および  WL=(1/2)L il^2^の電気現象解釈法を知っている事によって理解認識している。このエネルギーの瞬時値についてもそれを直接『エネルギー』として観測する方法はないのだろう。この式で表される貯蔵エネルギーは決して負には成らない訳で、不定積分の式の意味とは違う。

電力の定積分電力の定積分 不定積分の下端(積分の始点)の時刻t0の選び方で、それぞれの要素の貯蔵エネルギーになることが分かった。確かにこのように定積分を求めれば、貯蔵エネルギーの瞬時値を示す式になると考えられるだろう。数学的感覚の能力のない頭では上のような導出法が理にかなっているかどうかも判然としないのではあるが。以上で一応貯蔵エネルギーの電気現象の解釈については結論とする。

L-C回路の過渡現象 少し数学的な意味で、電気現象の解析法に疑問を提起しておきたい。

数式と電気現象数式と電気現象 電気現象は数学的な手法がなければ解析できない。数学的な威力は他に比べようがない程有効である。しかし全ての自然現象が数学的に解釈可能かと言えば、それは無理であろう。最近は、電子計算機の高速計算で簡単に求められるが、便利な数式に表現できないだろう。簡単な上のような例題を解こうとしても、式で求められないと思う。当然コンデンサに電源電圧を掛ければ、そのスイッチ投入時の瞬時現象は回路全体の空間エネルギー分布によって、解析不能な要素が入る事から無理なのではあるが。この回路定数が確定できない、定数不明の回路現象になれば、計算機でも無理である。ただ微分方程式の解法で、スイッチ投入時刻tsは考慮されないようだ。

『エネルギー』ここで論じたエネルギーはすべて「質量」には全く関わりのない空間に実在する『エネルギー』である。物理学で論ずる運動エネルギーや位置エネルギーでない空間エネルギーが世界には満ちている。

帆掛船の積荷(エネルギー論)を拾う

科学漫遊の足跡を振り返って、雑多な中味を整理しておこう。

物理量概念の次元 物理世界を統一的に論じる基盤は物理量の『単位』の明確化が必要である。『エネルギー』を基準に据えた。エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系

東日本大震災と原発崩壊事故のエネルギー 自然現象は地球規模でもすべてその『エネルギー』が根本原因である。その表れ方をまとめて。エネルギーで観る世界ー序論ー 放射能と発熱の正体は何か? エネルギーで見る世界ー津波ー

光(光量子)のエネルギー空間像 光とは何か?-序章ー 光とは何か?-光量子像ー

『エネルギー』の意味は? エネルギー(ENERGY)とは? エネルギーと空間と質量(分類内容を再考したい)

電気回路現象と『エネルギー』 電気磁気学・電気回路の論拠概念、導体内を流れると言う『電流』および『電荷』の存在を自然世界は『真理』として認めない。その視点から『エネルギー』の実在性に基礎をおいて論考して来た。それらを拾っておく。回路とエネルギー流ー電流解剖論ー エネルギーの共振現象 エネルギーで観る線路電圧 コイルと電圧とエネルギー 天晴れ(コイルと電圧とエネルギー) コンデンサ型配線のエネルギー伝送 とんでもない(コイルのエネルギー) コンパスと砂鉄の心 電池電圧と『エネルギーギャップ』 物質のエネルギー準位 電気抵抗のエネルギー論 電気回路のエネルギー