カテゴリー別アーカイブ: 水力学

波の心を観る

波の象形

波の心

波に心がある訳じゃない。しかし、波の象を理解するには自分の思いを波に乗せて考えなければ、その象の意味を知ることはできないように思う。水力学の方程式に書き表すには、その水に働く自然の心を自分の心と合わせて、水の流れに乗って初めてできるように感じる。波の心と言ったが、もっと深い意味では水の心と言うべきかもしれない。水には二つの象があるようだ。海洋の流れは日本付近で黒潮や親潮などがある。この潮の流れは波とは違う。地球という器に入れた水の動きである。地球の自転が赤道付近の海洋との相対性によって生み出す現象と考える。世界の海洋の流れを見れば、大よそ見当がつくであろう。この潮流は自転する地球上に立って見れば、赤道付近の海洋の流れが地球の回転に付いて行けずに遅れる現象と観るべきだろう。地球の自転は海洋だけでなく貿易風や偏西風の気流にも同じ流れを作ると分かった(この貿易風は検索で今日意味を理解した)。その海洋の現象は波とは異なると解釈したい。ただ、この海洋の流れが海全体に様々な流れない波をも作りだしていると考えるべきだ。また、風が波を作り出すという解釈が多く見られる。それも一つの観方であろう。しかし地球という自転する天体から見れば、風という地上との相対運動の差も貿易風などの地球の自転との相対性で起きているとも見られよう。水の流れる潮流水の流れを伴わない波との二つの類型に区別したい。流れない水の波の代表例が津波の海洋伝播現象である。ここで取上げる海岸線での波も水が流れる波ではない。水が流れないで、上下運動をする波動が海岸に打ち寄せるのである。自然現象を理解するには、学校教育が重要な役割を成している。波についてどのように教えられたか。そんな意味も探ってみたい。

サーフィンと水力学

海岸で海底と陸の繋ぎの地形が急勾配だったり、緩やかであったりする。その形状はさまざまである。やってくる波が水深の変化の大きい勾配の或る程度急な場所ではその波の流れがせき止められる。そんな岸辺の水中の角度αに依って波が立ち上がりやすい海岸線がある。そこでは夏の風物にサーフィンが彩りを添える。その大波は独特の象形を描く。サーフボードを引き上げる水の力が働く。何故水が高く巻き上がるか?何故波の尖端が先に飛び出し、飛沫を作るか?こんな運動力学の物理の良い問題はなかなか無いのじゃなかろうか。物理学には水面波の力学が無いように思う。その訳は、物理学で水面の上下運動の解説にエネルギーの話が出て来ないからである。何故水面が上下運動をするかの力学的解釈が見えないのだ。その波の本源であるエネルギーを観ようとする心を失っているからとしか思えない。エネルギーは、決して運動エネルギーと位置エネルギーだけではないのだ。自然は見え難いエネルギーという自然の心を持っているとも言えよう。理科教育で、水面波がどのような原理で伝わるかを解説できていないようだ。「造波器」という器具を解説で使っている高校理科教育講座を見た事がある。何を教え、伝えようとしているのか滑稽に思えた。水面波の速度はどの程度か。何が伝わる速度なのか?速度の方向は縦波の速度方向である。造波器授業では到底波の心は分からない。葛飾北斎の神奈川沖浪裏の波こそサーフィンの力学を考える具体例と思う。

エネルギーの伝播

水中のエネルギー伝播を認識しなければ津波(海洋では水は流れず、上下運動をしているだけの現象の階段波伝播)の意味など分かる筈がない。造波器にはエネルギーは見えない。海水面に波が立てば、その波の本質は水中の深い所まで及んでいる。何が水中に隠されているかである。最近は大きな災害を暴風や竜巻によって受けることが多い。生活圏の気圧のエネルギーが基本に在る。海水面の標準大気圧1気圧1013[hPa]であれば、その1[㎡]に掛る圧力は101.3[kN]であり、その空間は101.3[kJ/㎥]のエネルギー密度空間である。台風は上空に巨大な吸引機を配置した時の状況と同じような気象現象である。空気の水蒸気密度、気流の速度、風向と地形そして近傍海水温度、気温、気圧等様々な条件で決まるエネルギーの流れが災害の規模を決める。水面の波の現象もエネルギーがその基本を決める。空間媒体中のエネルギーの流れが全ての波の基である。海底10000[m]に缶詰めを沈めたらどうなるだろうか。物理学のエネルギーの定義の意味で、缶詰を潰す仕事の圧力エネルギーという定義の適用例になろう。空間はエネルギー密度空間なのである。それも眼に見えないから分かり難いだけである。水が在ればその水中はエネルギー保存空間なのである。波はその水中エネルギーの縦波伝播現象なのである。波の形状もその断面は正確には正弦波とは異なる筈だ。伝播エネルギーが正弦波でなければならないという論理性が見えないから。津波については、エネルギーで見る世界-津波-(2011/03/27)や大津波の発生原因を探る(2011/04/11)、津波(tsunami)を解剖する(2012/02/12)等がある。

波の解剖実験

水による災害が生活に直接影響を及ぼすから、水力学の研究対象が水の流れる強さに向けられているのだろう。水流の研究は水路を流れる水が対象になっている。しかし自然現象としての波を考えれば、それは水が流れない水の上下運動の現象である。特にここで考える波は、水の流れを伴わない波の現象とその意味である。流れるもの即ち伝播するものはその水という媒体の空間に在るエネルギーなのである。海を眺めて波を見ても水が流れて来る訳ではない。岸辺の地形で、波が高く立ち上がる場所が在る。その現象を物理学で説明できなければならない筈だ。海岸の地形は水の底に在る勾配によって決まる。勾配の角度α[°]がどのように影響するかか解析の要であろう。波の解剖実験をするには水の流れない状態の波を発生する波源をどのように作るかが肝心なことになる。広さと長さと深さが必要になる。岸辺の勾配設定すると成れば尚更難しいことか。そんな事から、波を理解するには身体で感触を得るのが手っ取り早いかもしれない。水泳の種目にクロールがある。水を掻く手先を水の底深くに向けて掻く意識が水圧の高いエネルギー高密度で有利なのかとか。巨大津波の原因が海底の亀裂真空帯発生に在るなどは感覚的な自然現象の認識に負う事でもある。缶詰の潰れ現象からの想像でもある。岸辺の波の尖端の水飛沫が何故出来るか。岸に到達した水中のエネルギー密度が水深が浅くなるため、水中で保持できなくなるから、物理学のエネルギー概念の位置エネルギーとして高さで賄うため高く立ち上がるのである。さらに先端が水飛沫に飛び散るのは高さの位置エネルギーから運動エネルギーに一部の水がエネルギー変換して賄う結果の現象と看做す。すべてはエネルギー一つの水に描がく水の心模様である。数式表現はその得意な皆さんに願います。

波の解剖視点 水の流れない波を水力学として捉える視点を挙げてみた。

波の解剖視点 波は何故水面が上下振動をするか。ただ、それが波というものだ。では力学としては意味を成さないだろう。波源で水の上下振動が起こる。例えば物を投げ込んだ時。視点①その上下振動の周期を何が決めるか?視点②その振動の波の伝播速度を決める要因は何か?更に水面にはとても大きな圧力、大気圧101.3[kN/]が掛っている。視点③その圧力に抗して水を持ち上げる力の要因は何か?視点④水中の圧力分布模様はどのようか?などが不思議な波を理解する要点と観る。結局この圧力分布が水中のエネルギー分布になる。この水中の圧力のエネルギー分布がサーフィンの運動力学の要である。海岸の海底勾配が、到来する圧力エネルギーに対してどのように保存則に作用するかを考えれば、波の立ち上がりが見える筈だ。捉え難いもの、それはエネルギーが見えないものである事かも知れない。

 

津波と圧力水頭

はじめに 自然現象を理解するに、『エネルギー』の意味を理解する事がとても大切だと思う。理科教育で、物理学で日常生活に関わる大切なエネルギーが津波と言う生命の危険を察知すべき自然現象の根底にある事を教えて欲しい、学んで欲しいと思う。エネルギー論の一つとして取り上げたい。『エネルギー』の意味を『物が仕事をする能力』と言う解釈で良いのか。

津波 日本語の津波がそのまま tsunami と世界で言われる程日本列島にはその災害が多く発生する。複雑な地殻・プレートの重なり合いの上にある列島である事が地震と巨大津波に遭遇する理由と成っている。その津波について、特に巨大津波の発生現象やその仕組みについて明確に認識されているであろうか。地震によってプレートの重なる海底領域で特別な現象が発生する事が原因であることに間違いはなかろう。その海底の状況がどのように成ると巨大津波の発生源となるかを認識することが必要である。津波と言うと、その姿は陸の生活圏に突入して来る水の階段衝撃波として見て、その恐ろしさを理解している。災害をもたらす津波像はその通りであるが、その姿は津波の本質を示してはいない。津波の到来高さをもたらす原因は水力学の物理学の理論に因る筈であるが圧力水頭の縦波伝播現象として物理学では捉えているだろうか。津波の本質は発生源の海底の地殻変動現象とそれに因って発生する衝撃パワー(エネルギーの時間微分強度とエネルギー量)の海洋伝播現象にある。それは地球の活動の一つである地殻変動の結果の地震が基で起こる現象である。

地震はどのような地球活動現象か 地球の生命は中心核に隠されていよう。核は暗黒の灼熱地獄であろうと思う。そこではすべてが、どんな岩石も溶融した熱源と成っていよう。熱力学はそのエネルギーが高温部から低温部(地球表面)へ流れる事を教えている。エネルギー保存則から地球熱源核の熱量は新たな補給が必要であろう。地球が生きている限りは地殻変動で中心核への熱源の供給活動が必要であろう。中心核のエネルギーは、その核が超高圧力(ボイル・シャルルの法則)に因ってもたらされているのだろうと思うが、万有引力説でも説明できないから、全くの素人感覚での解釈でしかない。地球表面に起こる地殻変動現象は専門家によって、断層の分布が詳しく解説され、地震発生メカニズムの説明がなされている。地球は人間にも容赦なくその活動が災害として襲いかかって来るが、そこに生きる者の宿命であろう。地球の構造について検索すると、マグマやマントルそして中心核の事がそれぞれ別に解説されている。決して中心核とマグマや火山との関係では捉えられていないようだ。何故同じ地球の中で核が活動の中心にあると考えないのだろうか。何故核がマグマと繋がっていると考えないのだろうか。何故地球核の熱源と火山活動が関係していると考えないのだろうか。それは科学が実験的証拠によって初めて科学的論理と認知されるという検証基準があるからであろう。地震がなぜ起きるかを考えたとき、何故地震と核が関係付けられて論じられないか不思議であった。地震は地球の生きる活動の実相であり、その心臓部が核である。地球活動のすべては核が握っている。決して証明できない解釈ではあるから、無責任な素人論かもしれない。『正電荷』の実在証明が出来ないと同じ程度かとも考える。

津波の記憶と記録

  1. 1993年7月12日北海道南西沖地震(マグニチュード7.8)での奥尻島への津波31mの高さまで達したとある。この津波映像をテレビで見たのが地震と津波への関心を抱いた切っ掛けになった。専門家が津波の到達した高さに「何故こんな所まで?」と訝しげに解説していた。しかし、筆者には特別不思議に思う事もなく、水の特性として当然に思えた。しかし、その訳をハッキリと認識しては居なかったと。
  2. 2004年12月26日スマトラ島沖地震(マグニチュード9.1) 新潟県中越地震の歳の暮れに起きた巨大津波である。この地震に関するテレビ映像で特に驚きとやっぱりだったと印象に残ったのは、震源から遠く離れた海岸の引き波であった。海岸が海水が引いて魚が跳ねている映像だった。その後津波が遅れて到達し街に襲いかかる様子があった。この津波映像が巨大津波の発生原因についてある確信を得るに至った。更に、翌年の2005年3月の朝日新聞記事の海底亀裂写真がその意味を裏付けたと考えた。
  3. 1960年 チリ地震(マグニチュード8.6)の記録 丁度地球の反対側のチリ海岸で起きた地震。22~23時間後に大津波が日本に到来し大きな被害をもたらした。日本の東海岸でも津波到達前に引き波があったとある。
  4. 1896年(明治29年)6月15日明治三陸沖地震津波の記録 38.2mの津波の高さとある。日本列島の何処でどのような津波の高さに襲われるかはすべて予測できないと覚悟しなければならなかろう。30mを超える可能性がある事だけは認識しておくべきだ。防潮堤で防げるものではなかろう。

圧力水頭 圧力水頭と言う言葉は水力学の用語である。特に水力発電技術の用語として馴染んで来た。津波現象を理解するにはこの圧力水頭の意味を知っておくことが大事であろう。その意味は海底の深い地点での水圧が強いことがその海水の空間がエネルギーを保有していることと関係しているからである。海底の深さは技術用語の圧力水頭の意味に通じている。水深の深さがその海底空間のエネルギー量を表すと看做せよう。空間の持つエネルギーはボイルの法則の体積V[]と圧力p[N/]の積でエネルギーE=pV[J]となる意味から分かろう。発電技術ではダムと発電機水車の関係で捉えるようだ。フランシス水車の水力学を例にその圧力水頭の解説をしておこう。

フランシス水車と水頭 水車にはカプラン水車、ぺルトン水車などがあるがフランシス水車が水圧、圧力水頭の理解には適していよう。高い位置のダムと低い場所の間の水圧差を利用して、そのエネルギーを電気エネルギーに変換するのが水力発電所である。ダム水位と放水面はともに大気圧である。だからそのダム水位の高さ(それが総水頭)がそのまま発電エネルギーに利用できる。導水路管の図のq点の水の持つエネルギーはどのように表されるか。その単位体積当たりの水の質量は密度ρ[kg/㎥]で表される。

その位置エネルギーは水が流れていても、ある瞬間のその位置の水のそれは

ρgh[J/㎥]

である。

水の流速度v[m/s]とすれば、速度エネルギーは

(1/2)ρv^2^ [J/㎥]

である。

圧力エネルギーは、その点の水圧p[N/㎡]とすれば 1[㎥]の体積との積で

p[J]となる。それは単位体積当たりのエネルギーであるから

p[J/㎥]

となろう。

総エネルギーE[J/㎥]は損失のエネルギーElを加味して、

E= ρgh + (1/2)ρv^2^ +p +El       [J/㎥]

である。

上の各エネルギー成分を水柱の長さ[m]で評価するのが水頭になる。Eを水頭に変換するには、ρg[(kg/㎥)(m/s^2^)=(N/㎥)]で割ればよい。

H= h + (1/2)(v^2^/g) + p/(ρg) + El/ρg  =  h + hv + hp +hl [m]

と表される。

 圧力水頭 hp [m]は流水量の調節によって変化する。もし水車の回転を止めたとする。その時、水車の入水面の羽根に掛る水圧pは総水頭H[m]分の水柱の圧力と等しくなる。p= ρgh [J/㎥ =N/㎡]となる。その点の水の単位体積当たりの空間エネルギーがp[J]である。そのエネルギーを水柱の長さで捉える手法が水力学の「水頭」の意味である。フランシス水車のタービン羽根の入射面と出口面の圧力差は圧力水頭H[m]に近い。出口面の部分的水圧が大気圧以下になれば、キャビテーションと言う状態が発生し、効率が落ちる。フランシス水車は圧力水頭を利用する水車とも言えよう。さて、この水頭と言う意味を海の海底を例に考えてみよう。海底1万メートルの水頭の海水の単位体積当たりの保有する空間エネルギーは幾らであろうか。海水が静止状態で保有する空間の圧力エネルギー量(熱など他エネルギーは考えない)である。海水密度と水深1万mから、10万[kJ/㎥]程になろうか。地上の大気圧の空間エネルギー密度が100[kJ/㎥]に対して。しかしこれらのエネルギーは仕事をする能力は持ち合わせていない。利用できないから物理学の対象に取り上げられないと言うことであろう。利用できなければ、存在しても「見えない」ものになる。自然の真理を説き明かすより、利用する現実が物理学の対象となっているのかもしれない。しかし、津波の問題となると、完全な地球の自然現象の現れである。地球は人の為の自然活動ではないから、そこに自然の真理を認識する必要性が、津波現象解釈に持ち上がる。津波を圧力水頭の関係から考えてみよう。

水深圧力水頭 大気圧の海面空間のエネルギー密度は大よそ100[kJ/㎥]である。この空間の持つエネルギーと言う概念は物理学理論では余り認識されていないようだ。そこに更に加算して、海底の空間が持つエネルギーも同様に存在する訳である。大気圧を除いて、水深だけの圧力水頭を水深圧力水頭として図に示した。海水の密度ρ[kg/㎥]は水深D[km]によって多少は変化するだろう。日本海溝の水深5000m当たりに成ると、ρ=1[t/㎥]一定と仮定して、その海底の空間の持つエネルギー密度Edは49[MJ/㎥]程になる。この空間の持つエネルギーが地震時の巨大津波を引き起す原因であると解釈する。

津波の海洋伝播波形 遠い地点で発生した津波が海洋を伝播して到達する。その波形はどのような特徴を持っているか。その波形の形状は丁度雷の衝撃波形と似たものである。波の先頭部、波頭が急に競り上がりその後はなだらかに波高値が低下する減衰波形の長い波尾長で続く。津波の特徴はその波形の解釈に隠されている。しかも、その伝播する波は海水の質量が流れる訳ではない。海洋の津波には運動方程式の速度を担う『質量』に当たるものがないエネルギー伝播現象である。研究所で津波の水流の強さが実験されているが、それは地上に上陸した後の津波の水の質量の持つ運動エネルギーを実験的に検証していることでしかない。それは特に津波には無関係の普通の水力学の実験でしかない。津波の本質は海洋を伝播するエネルギーをどう認識するかに掛っている。先ず第一の問題は何故そのような長い波尾長の波形になるかの原因を明らかにする事である。それは特に巨大津波の問題として重要である。その波尾長がどのような意味を持っているかを理解する事は巨大津波の到来エネルギー量の意味を理解するための要である。普通の短い周期の波動なら、高い波高が海岸部に到達しても大量の水の上陸とは成らない。堤防で阻止出来よう。しかし巨大津波の特徴は長い波尾長の連続した到達エネルギーが水の質量のいわゆる運動力学に因る水流として上陸する点にある。階段波のエネルギーの長さが巨大津波の特徴である。津波発生源で、そのような長周期波尾長となる波動がどのような状況で生まれるかを考えることが大切であろう。専門家の解説では、プレートの重なり領域で『ずれ』と言う結果が地震により生じるとされている。その『ずれ』にもいろいろの現れ方があるようだ。

『ずれ』と海底亀裂・海底陥没 ずれにも水平ずれや垂直ずれなどがあるらしい。地震時には、陸上でも活断層に大きなずれが起きる。そのずれには大きく口を開けたような裂目もできる。断層帯では跳ね上がりより陥没、崩落が多いように思える。その事が海底における断層帯のプレートの重なり領域となれば、陸上の活断層とは比較にならない大きなずれが起きるものと考える。水平ずれや垂直ずれとその地震時のずれの様相も様々と解説されている。水平ずれと垂直ずれの意味も、その現象の違いを的確に理解できている訳ではないが、自己流に捉えている。垂直ずれの場合はプレートの重なりの断層で、プレートが下方に陥没するものであろう。地震後の地殻の変化は、兎に角地球中心方向へのエネルギー源の供給が成される筈と解釈する。そのエネルギー源の核での燃焼結果の噴出現象が火山活動としての溶岩流や噴火活動となっている筈と解釈する。殆どの地震活動で、震源が海底であれば、海底陥没か海底亀裂を引き起す結果に至る事が多かろう。海底が深ければ、その海底の空間保有エネルギーも大きい。その高エネルギー密度空間で、突然亀裂や陥没が起きれば、その瞬間は急激な真空空間が生まれると同じ状況になる。その空間の時間微分が発生のパワーになる。地球にはその途轍もないパワーでも寝返りを打つ程度の日常的なことでしかない筈だ。

海底亀裂・海底陥没と引き波(津波前の)と津波波動波尾長 巨大津波が襲来する場合に、必ずしも引き波があるとは限らないが、引き波があったら巨大津波が襲ってくると考えなければならない。巨大津波はその海洋伝播波動の波頭値だけでなく、その波尾長の長さがエネルギー量の大きさを持っているのである。波尾長が長いと言う事は、海岸に到達した場合に、押し寄せるエネルギー密度が長い時間に亘って途切れなく押し寄せ続ける訳であるから、どこまでもそのエネルギー量を陸に向かって流し続けることになる。止めようがないのである。水の保有エネルギーは全体が慣性体として働くようにとても避けられるものではない。海底亀裂・海底陥没が大きければ、その衝撃波の影響は海の全体に及ぶ。それが震源地に海水を引き寄せる引き波として海面のあらゆる方向へ伝播される。その引き波現象として引き寄せられる水の周期が津波波動の波尾長の長さや波頭値に現れるのである。

海洋の津波波形 津波源から海洋を伝播する津波波形は図のようであろう。この伝播現象の特徴は波頭の海面の立ち上がりとその波尾のなだらかに減衰する波形にある。その海水面より高いhoの海水は進行方向に流れる訳ではない。順次水面が上昇しなだらかに下降する、上下運動の海水の波である。海水は基本的に運動エネルギーを持たないエネルギー波の伝播媒体である。海水面の高さだけ平常面の海水の圧力エネルギーが海底まで増加した、圧力エネルギーの進行方向への縦波伝播現象と看做せる。しかしこの圧力エネルギーが海岸の浅瀬に到達すると、圧力エネルギーでエネルギーを保持できなくなるから、水の質量mの進行方向への運動エネルギーにエネルギー変換されることになる。それが津波の上陸の波動になる。この海洋の津波波形を産む原因が地震震源域の海底陥没や海底亀裂に因る突然のエネルギー欠損空間の出現であると考える。その欠損空間エネルギーを目がけて海水の突入現象が起き、海洋に引き波が伝播する事になる。海水全体が一体的な慣性流体のつながりの運動として引き波となる。その引き波の物理現象をどのように解釈するかの問題であろう。

引き波の物理現象 この引き波の物理現象をどのように解釈すべきかは未だ思案の中で、捉え切れていないが取上げる。巨大津波の発生原因となる引き波の物理現象を認識する事が大事だ。単発のプレートの運動に因る海水の跳ね上げで巨大津波が発生するとは感覚的に理解できない。水の力学は水泳などで感覚的に感じ取れる。信濃川の遊びで、アユや鮠(ハヤ)のあの俊敏な泳ぐ速度を見るにつけ、水の慣性体としての不思議を思わずにはいられない。こんな水に対する感覚が津波現象への筆者の解釈の基になっているようだ。海底陥没に因る高密度エネルギー空間の欠損空間出現(真空状態)が津波発生の源となり、そこへの海水突入が海洋波動伝播現象としてに広がる。その波動到達海岸で引き波が観測されることになる。海岸では水が海洋に流れゆくように、海底が現れる。しかしその水が津波源まで流れて行くと解釈するべきかどうかは、未だ納得しかねている。水のエネルギー欠損を補うように移動するだけであるかとも思う。津波波動の波尾長を決める水流は津波源の周辺からの流入量でほぼ決まろう。海洋周辺から津波発生原(地震震源地)への、その流入量を決めるのは震源地の海底陥没あるいは海底亀裂の体積とその時間的体積微分値のパワーである。それが基本的津波の大きさを決める要因である。引き波(津波発生原因としての)の物理的伝播現象は残された課題でもある。津波上陸後の引き波は普通の水力学の話であるが、その意味とは異なる。

東日本大震災(2011/03/11)の津波 海洋研究開発機構(JAMSTEC)が2017年に日本海溝の調査結果を発表している。それは海底のずれが65メートルであると報告されている。そのずれの意味を陸側のプレートが海洋側へ水平にずれたという意味と解釈する。その報告のずれがどのような訳で、あの巨大な津波を引き起した原因となったかを考えた。日本海溝は太平洋プレートが日本列島のプレートの下に入り込んでいる。何故陸側のプレートが太平洋側にずれを生じたかに、その地震の持つ意味を理解する重要な鍵が隠されているように思う。プレート境界が地震の震源となる場合に、巨大津波が発生する可能性が多いのではないか。今回の陸側が太平洋側に65メートルずれたとしたら、それは地震震源の太平洋プレートが大きな領域で地殻陥没が起きたからであろうと解釈する。地球の内部がどのように成っているかは分からないが、相当大きな空洞が出来ているものと考える。地殻が陥没するのは空洞があるから当然と考える。その結果が地震であり、海底地殻陥没が巨大エネルギー空間の欠損を産み、そこへの海水流入が巨大津波を産む原因であると考える。65メートルの地殻のずれと地震震源域での海底亀裂も報告されている。海底亀裂がどの地点に生じたかは知らないが、ずれた陸側プレートの上であるのかとも考えられる(?)。

 

 

圧力水頭「理科基礎(仮称)」の題材として

理科教育の事など余り考えなかったのだが、先般の日本学術会議の提言を読んで、日本の科学技術との関係での「理科教育」の未来が全く見えない事態にあると考えざるを得ないと思う様になった。余りにも学理。学術と言う権威に支配された実態が日本の教育制度の硬直性を曝していると言わざるを得ない。責任は文部科学省の官僚的支配にある。教育は基本的に「自由」を建前にすべきである。政府支配と専門家的権威支配は教育を荒廃させる。制度ばかり小手先の変更をして朝令暮改の繰り返しに過ぎない。現場に負担を掛ける縛りが文科省の仕事のように見える。中味はもっと現実的な内容にすべきである。理論・法則などを覚るだけでは役には立たない。役に立たないような内容の教育しかしていないからだ。そこで、今回は「圧力水頭」と言う水力技術の問題を取上げて見たい。理科教育は科学技術教育に切り替えるべきだとの意味も含めて。能力不足の者が言うことじゃあまり役に立てないかとも思うが、考える題材として取り上げたい。「水」は地球の生命であれば、その様々な現象は学習するには余りあると思う。原子力発電所の再稼働で心配な日本ではあるが、水力発電所はもう過去の忘れ去られたエネルギー源になってしまった。その水力発電所の科学技術としての水の力学とエネルギーを眺めて見ようと思う。津波の意味を知るには圧力水頭の意味を知ることが重要だから。

フランシス水車の水力発電所

水力発電所の圧力水頭発電所の圧力水頭 貯水ダムの水のエネルギーを利用する発電所。水の水力学はベルヌーイの定理で理解している。結局は水のエネルギー保存の理解の問題である。ただ、圧力水頭と言う概念は運動エネルギーでも位置エネルギーでもないもう一つのエネルギーである事を理解しておくべきだろう。ファイルにしたものを載せる。

運動エネルギー流体の質量

エネルギーと水頭エネルギーと水頭 流体には3つのエネルギーがある。位置のエネルギー、運動エネルギーそして圧力エネルギーである。圧力エネルギーは総水頭から位置エネルギーと運動エネルギーを除いた残りのエネルギーになる。

圧力水頭圧力水頭 現代物理学の分野に気体分子運動論がある。気体の圧力と熱エネルギーの関係の基礎理論である。気体と液体の圧力で、基本的にどのような違いがあるのだろうか?余り物理学理論では、圧力エネルギーの実在性を認識していないのではないか。静止水圧については道草問答(7)水圧と水頭に述べた。この圧力水頭が波 「理科基礎(仮称)」の題材としての葛飾北斎の波の理解に欠かせない意味である。なお水車についてはフランシス水車によく説明されている。

地球温暖化と海水温

地球環境は何によって支配されるか。地球表面はほぼ球形で、寒冷の極地から熱帯の赤道地方と温度分布も複雑だ。簡単に地球の温度環境について論じる事は難しい。近年特に地球の気象環境が急激に変化し、人の生存に破壊的状況を作り出しているようだ。世界の環境問題を考える国連の会議もあるが、主に二酸化炭素削減が主要議題で、その事だけでも各国の利害が絡み巧く合意も出来ない状況に有る。そこに地球温暖化、地球環境悪化の原因が本当に何であるかについての専門家の解釈が明確でないように思う。特に経済成長に伴う『エネルギー多消費問題』に対して少しも懸念が表明されていない。地球温暖化の問題解決法が二酸化炭素削減で済むような話になっているように見える。しかし、二酸化炭素が温暖化の主原因であるとはどのような理論的根拠から唱えられているかが理解できない。化石燃料を消費すれば、確かに二酸化炭素の排出量は増える。確かにそれが『エネルギー多消費問題』の一因である事には間違いない。しかし、その視点でCO2を排出しない原子力発電が地球温暖化に対してのエネルギー対策として有効であるかの誤解を生んでいる。石油・石炭火力発電も原子力発電と同じ蒸気タービン方式である。蒸気サイクルの発電効率は決して50%に届かない。熱効率40%程度である。発電エネルギー量と同じエネルギー分は復水器を通して殆ど海水に放出しなければ発電できないのである。その海水放出熱量の増加が地球温暖化を加速しているのだ。海が地球の熱を吸収し、その保有熱量が地球環境の気象状況を急激に変化させている原因である。そこで、空気と水の保有熱量を考える根拠をまとめようと思った。海の熱容量?熱容量

上の表は水と空気の体積比熱を示した。CO2や海水の比熱(CO2の比熱は700[J/kg K]程度か?)を確認できなかったので、おおよそ事は水と空気だけの比較で出来ると考えた。この表は 原子力発電の熱の行方 に記したものをまとめた。

熱の行方 地球の熱エネルギーとその循環を考えて見る。地球に降り注ぐエネルギーは大半が太陽からの光である。さらに地球自身が中心核に熱源を持っている。熱は必ずエネルギーの低いところに流れる。核からのエネルギーは表面に流れ出る。人間が火を使わなければ、太陽光線と地球核の熱で地球の生命は循環しながら地球の姿は変化する。それが自然の循環だ。宇宙空間を循環運動しながら、地球も熱エネルギーを宇宙に放射する。地球核の熱エネルギー源は地球自身が地殻運動で、表面に蓄えられた太陽からの照射エネルギーの質量増加分を吸収して熱に変換する。地球の総エネルギーが太陽系全体の一つの仕組みの中で変化する。ここに人の地球資源利用の経済活動で、エネルギー消費が加算されて、地球の自然環境に熱負荷をかける温暖化問題が起きている。物理的視点の基本に『光』『熱』『質量』が自然界の根源要素『エネルギー』で見た時すべて同じで、等価であることを理解しなければならない。この観点から地球温暖化問題を考えたとき、二酸化炭素CO2が温暖化にどのような影響を与えるというのかが私は理解できない。大気中にCO2 が与える熱効果は特に比熱が際立つ事でもないから、どんな理由から専門科学者が温暖化の原因として理論付けているかを知りたい。地球表面は地殻の大地と海と大気で構成されている。そのどこにどのように熱エネルギーが保有されて、地球の熱平衡が整うのかが問題だ。その事は、上の表で空気に対して、単位体積当たりの熱エネルギー保有比率が水は3600倍と解釈した。水と海水では比熱に違いがあろうが、大よそ同じと考えても良かろう。地球上の空気と海水などの体積比率が(公財)日本海事広報協会 (検索から消えた?)に示されている。その算定方法の詳細は示されていないがそれを利用させて頂いて図に表現した。日本大百科全書(ニッポニカ)大洋等参考。

熱エネルギー吸収体熱吸収体

空気と海水の空間体積を比較してみた。CO2が大気中にあっても、熱エネルギーの保有にどのような物理的影響を与えるのだろうか。海水の温度1度上昇する、その熱吸収効果に対して、CO2が与える大気中の温度上昇の意味が理解できない。

地球温暖化問題は『海』の温度上昇による環境、気象災害にある。経済活動に基づく総エネルギー消費量の削減問題なのである。経済活動競争の中での国際間の協調が可能かどうかが問われている。

大学改革と入試

大学入試改革について、中央教育審議会が答申案をまとめたと新聞で報じられた。大学入試 知識以外も評価との見出しが付いている。知識とは何かを問いたい。大学教育の中味であるどんな教育方針で、どのような知識を教えるのかを知りたい。誰の為の教育かを考えて欲しい。教える側の過去の教育内容の伝統に縛られた伝書鳩教育であってはならない。中央教育審議会の目的も良く分からない。誰の為の教育審議会なのか?政府による政府の為の政府の審議会にしか見えない。今回の大学入試改革の記事を見て、一つ問題の例を考えてみた。科学者の社会的責任等と記事に挙げた筆字がある。各人が思う多様な答えを期待して、答えの無い問題を考えた。

大学入試問題例問題例

特別に難しい問題でもないとは思うが。難しさは答えが無いところにある。どのように考えるかを聞くには面白い問題だと思う。採点する側で困る問題でもあろう。知識とは何かを問いながら考えるとは何かを問いたい。

親不知海岸の陥没と柏崎刈羽原発の危険性

原子力発電所が全国に設置されてしまった。この地震地帯の日本列島に。世界最大の原子力発電所が新潟県柏崎刈羽にある。専門家の活断層調査をテレビ映像で見ると、僅かな深さの地表の状態を調べているだけであるようだ。ボウリング調査しても、活断層の様子は調べられない。津波の上陸地点はボウリングに因ってもある程度推定はできるが、海底の活断層の調査は出来ない。海底陥没が巨大津波の原因であるという基本認識が地震災害・防災の専門家には無い。こんな危険な科学認識の下で、地震列島での原子力発電等恐ろしい限りである。

原子力防災ガイドブック(長岡市) 原子力防災ガイド・今年2月発行の原子力防災に関する冊子を見て、この記事を書く切っ掛けに成った。この冊子を作り、全戸に配布した訳だが、その意味を理解できない。この冊子が何の役に立つのかが理解できない。

親不知海岸の陥没現象 急峻な絶壁の海岸線は親不知が有名である。福井県の東尋坊も有名な柱状節理の断崖である。柱状節理、板状節理と不思議な陸地が何故発生したかも解けていなかろう。岩石が巨木の化石であると考えるが、その証明は難しい。石の囁き聞こえますか 。東尋坊の断崖で気掛かりな事がある。福井県は恐竜の化石が発見される点で中国・韓国との陸続きであったのではないかと。そこまで太古の地形を思い描けば、日本海での大陸の分断は何が原因かと思い巡らせれば、陸の陥没を思う。その断崖が、いつの時代にどのような状況を原因として出来たかは分からないのであろう。断崖によってその発生形態も様々ではあろうが、急峻な断崖は地層の断裂に因る陥没が原因と想定する。それは断裂に因る陥没以外は考えられない。特に大陸との繋がりが想定される事を考えれば、何故日本列島が分断されたかと、その地球的変動要因を考察する必要がある。何万年、何千万年の地球の地殻変動を検証して示すことなど出来ない。

海底陥没に因る津波 原子力発電所の安全性は、地質学的な断層診断から、その震度に対する耐震性を基本に設計される。しかし、津波に対する対策は防波堤の高さを高くする以外ない。ところが、津波の発生原因を防災の専門家は認識していない。気象庁の解釈さえ海底陥没の力学的津波計算が出来ないのである。例えば、海底4000mに1㎥の真空空間が時間0.1秒間に発生したら、どんなパワーが生じるか?その上部の海水面に対して、どんなエネルギーの影響を及ぼすか?そんな現象を解析しているだろうか。地震がもたらす地表での形状変化は、やはり山崩れや道路・地表面の陥没にその特徴が現れる。それは亀裂として裂け目が発生する。その亀裂の空間体積分は何故生じるのか。どこに行くのか。地球の地下に陥没するからである。そんな単純な現象も、専門家の学説によれば、地殻の滑り込みによる断層での何か摩擦のひずみが蓄積されて、その歪みの開放現象である地震を捉えている。だからその歪み解放として、上部の地殻の跳ね上がりが起きると。その海底の場合の跳ね上がりが津波の原因だという。こんな嘘が専門家の常識的学説なのである。頭で学説を唱えるからこのような噓が罷り通るのだ。水力学の基礎計算が出来ないのじゃないかと疑いたくなる。トリチェリの真空やボイルの法則は知っていても、実際の水の中での感覚が身についていないから、何の役にも立たない学説で生活の糧を得ているように見える。よく水流に実験設備で、波を作る様子をテレビで見せるが、あんな溝の中で波を作っても水力学の実験にお決まりの様子しか見えない。水の底を伝わる圧力エネルギー考えてはいなかろう。水面の現象を見て考えるのは「横波」の間違った理論から来るのである。日本海側の断崖海岸の発生原因が誰もが理解できるような科学的認識を示さない限り、その近辺の原子力発電所の安全性など政府が唱える事は出来ない筈だ。

原子力発電所は民間企業活動事業か その運転の安全性や避難計画を政府が法律で規定するという意味をどのように民間企業活動と認識すれば良いかが理解しにくい。上に挙げた「原子力防災ガイドブック」を各地方行政で作り、原発事故時の住民の安全対策の責任負うとは奇妙な法体制だ。安全を守るのが絶対に保障されなければ、そんな技術は住民の近くに在ってはならないのだ。安全であれば、ガイドブックなど作る誤魔化し行政は不要だ。安全でないなら,住民が避難する様な住む、食べる、活動する全ての自由を奪う科学技術が許される訳はない。福島原発事故が住民の住居を奪う、基本的人権を侵害している事実は、日本国憲法が保障する基本的人権の侵害でなくて何なのか。自然災害の津波による事象とは異なる事犯なのである。人為的な基本的人権侵害なのである。化学工場が爆発する事に因る、住民避難とは異なる事象である。しかも核燃料の廃棄処理にも見通しも無く、その方策も政府が設計し、莫大な政府予算が充てられる。そんな企業活動は民間ではない。全部政府が責任もって取り仕切るか、全く手を引くかでなければならない。原子力村の狢組織の予算分捕りを喜ばせるだけに成っている。基本的に原子力発電は決して安全ではなく、生命を奪う可能性のある危険な科学技術である。どんなに体裁を繕おうと安全性は保障されない。今福島県の避難住民は日本国憲法の保障する基本的人権を侵害されている事実を政府は認識しているのか?誰がその大きな責任を負うのか。新潟県で、ヨウ素剤の未配布問題があるが、何故そんな予算を行政で採らなければならないのか。原発が危険でないなら不要の筈だ。電力会社が全ての安全対策をすべきだ。自然災害とは異なるのだ。

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沸騰を読むー原子と寸法ー

夕飯のおかずはロールキャベツだ。合挽き肉からキャベツの葉に巻き込むのも結構難しい。落としブタで煮込みをしていると、蓋の周りから沸騰の蒸気が噴き出す。眺めていて不図思う。この水蒸気は水分子がボイルシャルルの法則に従って、体積膨張をしたものだと解釈しながら眺めている。物理学理論によれば、水分子の体積膨張とは解釈せずに、気体分子運動によって解釈するのだろう。ボイルシャルルの法則は、気体分子運動論から見ると、どこに行くのだろうか。まさか水の沸騰現象だけは「ボイル・シャルルの法則」で解釈するのじゃなかろう。ナベ底の水分子が、加熱されてそれ以上の熱エネルギーを吸収し切れなくなったために、水分子が極端に体積膨張して、供給される熱エネルギーを沸騰として外部に放出するのだ。水の分子は水素二つと酸素一つの化合分子だ。一気圧で、体積膨張する訳だから、膨張時の分子の空間寸法はとんでもなく大きい。その時の酸素も水素もその原子そのものが空間的に体積膨張すると考えなければならない。原子が空間寸法で拡大するという原子の解釈は無いようだ。原子論では、外殻電子の周回軌道半径が拡大するという解釈だ。その半径は水の沸騰時の体積膨張などとは考えていない。そもそも外殻電子の周回モデルなどの原子構造は考えられないから、全く別の原子像を考えなければならない。水の沸騰現象を見て、改めて原子寸法を全く違う認識で捉えなければならないと感じた。

水の沸騰を読めば、原子構造・寸法を考え直す。酸素原子も水素原子も沸騰で爆発的に体積膨張する。気体分子運動論は間違いだ。原子もエネルギーの局所化による質量的観測形態でしかない。熱エネルギーも原子質量と本質的に別物ではなく、ただその観測者側の概念的常識論が問題なだけである。

水素爆発の意味が理解できない。水素が空気中に7%になると爆発するという。酸素との結合と思うが、燃料電池の意味にもなるが、何故水分子になるとエネルギー放射するのかが理解できないのだ。水のお伽の世界 。

昨日の明けた今朝、やかんで湯を湯を沸かしながら沸騰の様子を見た。少しも水蒸気の体積膨張の様子が見えない。ただ水面がぼこぼこと波立っているだけで、水蒸気が膨らんでいるとは見えない。昨夜は、ロールキャベツが立派な味に仕上がっていた。美味かった。ロールキャベツの煮方は、内蓋に皿を使って煮ていた。表面は肉の煮汁で、水面と言うより油面となっていた。だから水蒸気が体積膨張した球状の塊のまま鍋の煮汁表面の縁から噴き出して来たのだ。それを見て、気体の体積膨張を読み取ったのである。水の沸騰現象は、表面に油があると良く観測できる。勿論、ロールキャベツのアク・油は途中で、表面からよく取り除いて食べた。日常生活の中に、自然は素顔を見せてくれる。自然に心を寄せてこそ、自然科学と言えよう。少しも研究費が掛らない真の科学論。今回、材料で『干瓢』を買えなかった。もう伝統的な食材も手間がかかり、職人が消えて行く悲しい思いを味わった。経済成長は、伝統的職人が消えて行く事なんだ。

私は偽者か

自分の存在の意味が理解できない。昨年(2012年)9月16日のぶり返しになる。新潟県長岡市の県営プール、ダイエイプロミスでニチレイ泳力検定を受けた。100メートル個人メドレイ。受け取った検定合格の『認定証』3枚ある。最初に受け取った偽物。認定証1

殆どの文字が偽装文字である。2級の2、氏名、時間1分56秒36は1分50秒36の間違い。平成の文字。など文字は筆書きの偽装認定証。2

次に訂正要求に対して、送られて来た『認定証』。時間は24秒とある。これならオリンピックで金メダル間違いなし。驚いた。3

とうとう最後まで『ニセモノ認定証』しか発行されなかった。日本水泳連盟 泳力検定係が最終的に認定をするのである。本部のある岸記念体育館内にあるらしい。認定証は、氏名の文字は活字体で全て打ち出される。しかしとうとう最後までニセ文字である。日本水泳連盟は日本政府、文部科学省の管轄である。こんな『ニセ認定証』を我慢して受け取らなければならない事が悲しいのである。日本政府に『あなたは偽物』と認定されていると同じ事である。ダイエイプロミスの事務担当者に質すと、PCに打ち込むと、全て「不合格」となり、受け付けられません。という説明であった。

上の『認定証』について、日本政府犯罪と言わずして何と言えば良いのか。こんな人権侵害は、憲法が無い国と同じ国家に思える。こんな中で何が「科学研究」になろうか。

水泳の大会に参加 71才前に、はじめて大会に参加した。その記録も参考に。マスターフェスチバル記録

100m自由形で、飛び込んだ途端にゴーグルが外れてしまった。水の中では、視界が殆ど無い。25mのターンで壁に手が届くのに時間がかかり、競争を諦めようかと考えたが、折角だからと最後まで頑張った。1位でゴールには驚いた。しかも大会新で。5種目も参加する羽目になり、疲労の為に帰った時には完全に虚脱放心状態。

雪と天然

世界を彩る数『6』を廻って見える物。儚くて、恐ろしくて、美の極み。それが雪の結晶であろう。六花(リッカ)とも言う。六花素描の雪模様である。その結晶の樹枝模様は60度の成長から成る。全体が6っ角形で、心地よさを受ける。

双子素数の規則性とは何か を書いた。それも『6』の規則性がある。空間を座標表現すれば、3次元座標で、『天上天下、東西南北』の立方体の正六面体でもある。拾い出せば、亀の甲羅、ハチの巣模様、ベンゼン核やカーボンナノチューブなど。

『6』が人の心に響くのは、そこに隠れた美の共感があるからであろう。自然の生命の基である、水の分子構造から、創りだされる『雪』の神秘は貴重な考える対象である。中谷宇吉郎博士が天からの手紙と言った、雪の造形美の不思議である。

還暦は、10干12支の一回りで60である。六法全書、六波羅蜜、六甲山、六分儀等と六にまつわる言葉も多い。

雪結晶には水分子が造り出す60度の天然の法則があるのだ。決して万有引力などと言う人間の仮想法則でない、天然の真理が隠されている。

 

道草問答(7)水圧と水頭

水頭と水圧

水の持つ物理は日常に関わりながら、その意味は深く、理解しきれない部分がある。物理学理論は難しい解説が多い。その為理解し難い。水圧を理解すれば、水の姿が見えるだろうと、問答の例題を出した。

『問』図の容器に水を入れた。底に係る水圧はそれぞれ幾らか。大気圧は p0=ρgh=1000×9.8×10.13  = 99.3×10^3 [N/m^2] である。貯水量はW1=W2、W3=1.3W1とする。

『答』水頭H[m]が等しいから、どの水圧も等しい。p1=p2=p3である。

『問』容器の底に係る圧力F[N]は幾らか。

『答』それぞれ水圧と面積の積である。水量W[m^3]には無関係である。それぞれF1=p1a1[N]、 F2=p2a2[N] 、F3= p3a3[N] である。

水 その実相に水の意味を書いたが、冗長過ぎた。水量が水圧に関係ないと言う感覚的に捉えにくい意味を上の『問答』で理解できればと思う。

(2015/10/09)追記。 折角なので、真空の問題を考えて見ましょう。

『問』海底4000mの水圧[ton/㎡]はいくらでしょうか。海水の密度も深い程大きくなる。だから水圧が単純に水深に比例する訳ではないが、その密度は水圧によって圧縮されるから増加するが、それを閑却して大胆に海水密度を海水面と同じ 1[ton/㎥]として考えてみましょう。『答』水深だけからでも、4000[ton/㎡]以上になる。

『問』その海底に1[m^3^]の真空が突然出来た。どんなことが起きるか想像してみましょう。決して人が造れる真空ではありません。唯地球はいとも簡単に造るのです。『答』答えられません。数式で表現できないからです。その訳は地球が地殻変動を起こして、地表面に亀裂を生じると同じく、海底にもいとも簡単に大きな亀裂を生じる訳です。その亀裂の真空体積とその亀裂体積増加速度即ち時間微分量が海底に生じるエネルギーの強度となりましょう。だから海底真空体積と時間との関係に因って衝撃の規模が決まりましょう。だから計算で簡単には示せないと言うことです。道草問答(5)津波と真空破壊力にその関係を示した。訴えたいことは、巨大津波の原因がこの海底に生じる真空亀裂であると言うことである。この見解は専門家の解釈とは異なるようです。