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非力学的エネルギー(エネルギー論)

(2020/5/9)ついき。怪奇現象か?筆者本人が観ると「フォロー」マークが何故出る?「フォロー」にして様子を見る。

エネルギーの実在性 世界を構成する根源要素は何か?それを論じる学問は物理学の中でも、素粒子論の分野であろう。素粒子と言う用語感覚から、それは粒子的な意味の物を連想する。『質量』を基本的に含意したものに思える。それは力学的エネルギーに関係した、何か運動エネルギーを伴う現象で捉えられるように思える。『質量』に基づく運動力学論の対象として捉えられるものであろう。そこで不思議に思うのである。光は『質量』を持たないと考えられるから、素粒子論の対象には成らないのかと?即ち光は素粒子ではないと定義しているのか。光は世界を構成する根源的『エネルギー』である。『質量』を論理構成の基礎に据えた場合のエネルギー論は、そのエネルギーを力学的エネルギーと言って良いように思える。それに対して、もう一つの分類に入る『エネルギー』が非力学的エネルギーと分けて捉えて良かろう。世界の構成要素の根源はその非力学的エネルギーに託されているように考える。

エネルギーとは何か その『エネルギー』とは何かと多くの疑問と質問があるようだ。それは子供達に教育する側が、子供達が納得するだけの『エネルギー』の意味を噛み砕いて教えるだけの理解に達していないからではなかろうか。高等学校物理の解説で、『物が仕事をする能力』と定義らしい説明をしている。この『物』とはどのような物を指すのか。最近は余り『人』は仕事をすると言っても機械化されて肉体的重労働は無い。だから『物』は人ではない『質量』を持った『物』の意味であろう。ロケット打ち上げ時の燃料燃焼現象での『噴射反発力?』などか。実際、『エネルギー』について人によってその概念をどのように捉えているかを推し量るのさえ簡単ではない。とても曖昧なように思える。『エネルギー』は身の周りから、あらゆる自然世界に満ち溢れている。そのエネルギーを人は認識しているのだろうかと疑問に思う。何か理科教育での教育する側の『エネルギー』の認識に大きな原因が潜んでいるように思われてならない。

非力学的エネルギー こんな用語は使われてはいないだろう。だから検索に掛けても力学的エネルギーの解説しか出て来ない。非力学的と言う用語に込めた意味は文字の通り、運動力学の『質量』と『力』の関係に基づく方程式から求められる『エネルギー』即ち運動エネルギーと位置エネルギーの和とは異なる別の『エネルギー』を念頭に置いて考える為の用語である。代表的な例を挙げれば、光や電磁エネルギーあるいは津波エネルギーがその対象となろう。えェ!「津波エネルギー」が力学的でないと言うのか?と驚くだろう。それでは海洋を伝播する「津波エネルギー」をどのように運動方程式で表現しますか?海の海水と言う『質量』が運動する訳ではないでしょう。津波エネルギーの本質は確かに力学的なエネルギーなのであるが、物理学の教育的な内容として認識されていないのではなかろうか。この「津波エネルギー」をまとめに考察対象として取り上げたい。光や電磁エネルギーは明らかに力学的でないとすぐに理解できよう。『質量』の運動でない現象の例をエネルギーの速度に挙げた。兎に角非力学的エネルギーの意味がどんな意味かは力学的エネルギーの意味を明確にしておく必要があろう。それは、質量スカラーm[kg]、加速度ベクトルα[m/s^2^]そして力ベクトルf[N]の間に成り立つ運動方程式

f=mα

によって記述される『エネルギー』の解釈対象のものと言えよう。

物が仕事をする能力 『エネルギー』とは何か?の問いに対する解説として挙げられている。この記事を書きながら正しくこのように定義する物理教育の『エネルギー』に対する認識に問題があると気付いた。我々が生活するこの地球上の大気圧についてである。空気の気体に因って生命活動の基盤環境が整えられているのが大気圧である。1気圧の空間1㎥の保有する『エネルギー』は約101キロジュール程である。この1気圧の大気圧の意味を仕事をする能力とは考えないと思うが如何ですか?一応その空気も物ではある。しかし、その物が仕事と結び付くと考えるには深く哲学的な思考を要するように思う。地上の生命を育み守る仕事と言う意味で有ればそれは空気の仕事と考えても良かろう。物理学教育でこの大気の『エネルギー』を認識しない限りは「津波のエネルギー」の認識には届かないであろう。またこの空気も地球の自転運動から考えれば、地球とほぼ一緒に運動しているから運動エネルギーを持ってはいると見做されよう。人の日常生活に対してこの自転や公転に因る運動エネルギーは確かに仕事をする能力には入れて解釈することはないだろうが。

力学から非力学的エネルギーを観る 水力学の圧力水頭も力学的な概念である。海底1万メートルの空間保有エネルギーも力学的な意味の概念である。身の回りの空気の1気圧も水柱高さ10.33mの重さと釣り合う気圧にある。人の体もその気圧に因って押し潰されることなく、それと平衡して生命活動を営んでいる。物理学の力学と言うと、どうしてもある塊状の質量を対象にした運動論に限定した解釈に囚われているように思われる。何か余りにも世界認識の狭さが気掛かりなエネルギー論に思えて、それで良いのだろうかと疑問が膨らむ。空間エネルギーの一つの存在形態の評価基準『気体温度』も気体分子の質量の運動エネルギーで解釈する気体分子運動論が現代物理学の科学常識理論になっている。温度の解釈に気体分子運動論は感覚的に受け入れ難い。すべて力学的な『エネルギー』は質量に付帯し、その質量と共に移動する量と認識しているように思える。水圧のエネルギーは具体例で「津波」の伝播現象に現れる。水圧も水力学での力学的エネルギーでありながら、質量の運動エネルギーではない。(2020/5/15)以下に追記、ここで言う運動エネルギーと言う意味の対象は陸上に上陸した水の波ではなく、海洋を伝播する『エネルギー』の事である。それは水面の波をどのように物理学で解釈しているかの問題でもある。水面の波は水が流れる訳ではないから、運動エネルギーでは無いと言えよう。しかし、『エネルギー』の関わらない『波』は存在しないのだ。という意味で、海洋を伝播する波も運動エネルギーでは無いが、圧力エネルギーの伝播現象なのである。以上追記。『津波』も水と言う質量が速度を持つ訳ではないから運動力学の運動エネルギーではない。『津波』は水の持つ圧力エネルギーが水媒体空間を伝播する現象である。運動方程式に乗らない水力学のエネルギーである。『エネルギー』が独立した物理的実在なのである。非力学的エネルギーとは、質量の移動を伴わない光や電磁エネルギーあるいは熱エネルギーなどを指す。体温も非力学的エネルギーである熱エネルギーの評価量である。そこに、空間媒体の質量に関わりながら、その質量の運動や移動に伴う『運動エネルギー』や『位置エネルギー』とは異なる『エネルギー』を非力学的エネルギーに分類した。しかしその津波の『エネルギー』は本来は『力学的エネルギー』に分類されるべきものであるが、理科教育での重要な『エネルギー』として認識すべきと言う意味で、『非力学的エネルギー』として取り上げた。

 

水 その実相

(2012/04/26) 追記。一通り『津波現象』に対する自分なりの解釈の結論に達したと思う。4月8日に、津波(tsunami)を解剖する の冒頭に『津波速度』の概要を載せた。

(2012/03/26) 追記。(下の(2012/03/24)付けの追記が)大変な勘違いで、誤解を生み、御迷惑をかけました事お詫びします。改めて水圧とエネルギーの関係を纏めました。貯水槽、ダムの水位と水圧の関係をグラフとして示した。しかしまだ海岸線での津波エネルギー変換の解釈には到達していません。水圧のエネルギー伝播が浅瀬でどう変換するかの問題です。

(2012/03/24) 追記。当ブログ記事の末尾に「水圧とエネルギー」のファイルを載せた。自分の水力学理論の常識と考えていた『流速度』V=√2gh [m/s] について、 V=√gh [m/s] が正しくて、√2 が不要の間違いと出た。大変申し訳ありませんでした。私の勘違い(バルブ内の水圧と平均水圧を混同した)があるようで、もう一度再検討する。

津波を解剖する の記事を書きながら、津波の速度の意味で、その実態を納得するだけの心境に至れなかった。特に水深の深さと波の速度の関係で、専門的な解釈を素直に受け入れられない。気象庁のホームページでも、水深の深さ5000m では時速800km 、100m では時速100km などと示されている。その物理的な根拠が示されていれば、考える手がかりを得る事も出来る。しかし、ただそうだと示されても、理解できないのである。自然科学はもう少し論理的に導出過程が示されないと、専門家、専門機関としての責任を果たしていると言えるだろうかと心配になる。

そこで自分なりに、基礎から考え直してみたいと思う。『水』とは何かと考えて見ると、それはとても不思議な物に見える。水のこころ、変幻自在と言う意味で、筆にしてみた。水変幻自在泥流の文字が滲んで埋もれてしまった。水は化学的にはH2Oで、水素と酸素の結合分子と言うが、そんな化学的意味で、津波の脅威や水の持つ力と結び付けることができないのである。余りにも多様な姿を我々の前に現わす。原子力発電や火力発電で利用される水の力は「水蒸気」の力である。D51と言う蒸気機関車もその水の蒸気の力である。発電所のあの大きな蒸気タービンを駆動する蒸気は普段の生活で理解できない程の魅力を秘めている。水の蒸気には臨界点と言う状態がある。臨界点の圧力は225気圧、温度は摂氏374度である。そんな状態の蒸気(臨界圧の蒸気が利用されている訳ではないので、誤解を招く不適切な表現である。2012/11/07/ 追記)がタービンを回しているのである。その臨界圧の蒸気の密度は水の密度と同じ値である。利用すればとんでもない技術の動力源となる。火力発電所の水の熱サイクルについては風とは何かー水と温度ーに示した。同じ水でも津波の恐ろしさも、その水の持つ力の一つの姿である。

水が持つ姿の多様性を踏まえて波のエネルギーの実態を捉えて見ようと思う。私は信濃川の岸辺で水を日々感じながら生活した。先日、葛飾北斎の浮世絵、富嶽36景「神奈川沖浪裏」のテレビ映像を見入った。あの迫力と波の姿の動きには水の持つエネルギーを理解するヒントがあると思った。以前その波の意味の一端を考えた事がある。『波乗りの推進力』である。波の解釈の一つの具体例として、

波乗り(2)

その記事を少し纏めて見た。波の意味を基本から考えると、ただ津波だけに限ると十分波の本質に迫れないと思う。信濃川で水に戯れて、眺めた風景から少し考えた。川は水の流れである。海も海流の流れがある。日本列島付近には黒潮、親潮として海の流れがある。その干満が瀬戸内海に渦潮も作る。

慣性流体と流速水の流れを川で眺めて見よう。夏になると、深い小淵と言う川の壺のような深みで毎日泳いだ。その断崖の淵に流れる水の様子は淵の底までは及ばない。表面程流速が速い。その流線が水の流れる速度になる。川の浅瀬は水流が底の石につられて、波を打つ。アユが石の表面の苔を削り取った紋様が付いているのが見れる。そんな水の流れに心任せで、ぼんやりしている情景は昔の話に消えて仕舞ったかもしれない。③の流速と近接作用。水の流線どうしに働く力は隣同士の繋がりが水流の流れの分布を構成する。隣同士の作用の繋がりで生まれる力の現象を『近接作用力』という。『遠隔作用力』の代表例が「万有引力」になろう。離れた物同士で力を及ぼし合うと言う「物理学的概念」である。しかし私はこの遠隔作用力を信じない。さて、元の水の話に戻る。勝手な事ばかり書いて誠に気掛かりではあるが、③の図の空気と水の境界面の話をしたい。図の標題が慣性流体と流速である。慣性流体と言う意味は水のように一塊として常に動作の現象に作用すると考えられるような流体を指して表現した。その意味で考えれば、常識的にあるいは理学的な分類からすれば『空気』は流体と言えるか疑問は残る。しかし空気も踏み込んでみれば、その表情は台風や竜巻となる意味には一塊の繋がりで現れる現象と見る事も出来る。その面では、空気も気体であるが、流体と言えるかもしれない。水との接面で互いに流体としての近接作用力が働いている。③の石の面の水は動かない。以上川の水の流れに思いを寄せて見た。こんな詰まらない事を考えた訳は、海の海底に及ぼすエネルギーの伝播現象をどのように解釈すれば良いかの参考になるかと考えたからである。

津波、その現象をエネルギーから捉えて解釈するのが目的である。津波の「津」と言う文字の意味は海と陸との境目の事であろう。その沿岸での波の現象を如何に解釈するかの問題と思う。津波の本質を的確に捉えるには、震源地と地震の規模その形態などに基づく海域全体としての水圧のエネルギー流の捉え方であろう。その水圧という特質を理解するに、「トリチェリの真空」という現象を理解することに意義があると思う。誰もが理解している事であろう。ここで改めて、トリチェリの真空と水圧という観点から考えて見た。トリチェリの真空(1)トリチェリの真空(2) 海の津波現象の伝播は、海水の一体的な全体を通した圧力波の伝播現象である。それは海水面上に高波があれば、海底までその水圧が影響する訳である。その圧力の波頭面が水面から海底までの一連の波面として、水面に垂直なエネルギー波が伝わると解釈する。ここで圧力エネルギーとその伝播速度について結論をまとめた。圧力エネルギーと伝播速度1

圧力エネルギーと伝播速度2ここで、一つ蛇足かも知れないが、念を押しておきたい。検索などで、津波に速度を水の速度と勘違いしている様子が見受けられるので、波動の伝播速度と水の速度とは異なる事を図で示しておきたい。

波の速度と水の動き

表面的には波を見れば如何にも高い衝撃波が水の流れであるが如くに見えよう。しかし水面を衝撃状の水その物が移動する訳ではない。波動の前面ではむしろ水は波動の進行方向と逆向きに流れる。それは波動の圧力エネルギーが進行するにつれ、その圧力エネルギーを保持するには、水がその条件を満たすべく、自動的に衝撃波の高さを保つように次々と水が上昇の移動を余儀なくされれて、エネルギー伝播の形態を作る事になる。その水の逆流とも見える動きによって、波動の伝播を継続している。だから、波動は水を運ぶのではない。水はエネルギーの伝播を託されて、波動の形としてその伝播を水が手助けしていると見た方が正確であろう。しかし、そのエネルギー波が海岸に到達した時にはまた状況が異なるのである。ここで、圧力エネルギーについて基礎的な事を問題にして、例題を示そう。

水圧とエネルギー①

水圧とエネルギー②

 

エネルギーと水頭③以上で水圧に関する考察は終わる。津波と言う海の現象に対して、水圧を考えると、大気圧が海水面に水頭10.13[m] の重さを掛けている事になる。海底で大気に解放されていない事を考えると、その意味をどう解釈するかの疑問が起きる。 『津波と大気圧』の関係? 陸との境界に到達すると、所謂「津」の波の特性を表す。そこでは、そのエネルギーを保存したまま上陸することになる。そのエネルギーが水深の浅瀬で圧力波としての形態を保持できなくなり、水の速度エネルギーに形態を変換することになる。波のエネルギー(沿岸)

だから、水その物が大量に陸上に突入することになるのである。その関係を考える為に上に絵図を示した。