力学 - 令和消防クラブ

「物理学」は、対象となる物質について「この物質は一体どんなものであるか」ということを徹底的に突き詰めて研究する学問です。多くの知識を蓄積する必要もありますが、物質の特性を自分の目で確かめられる「実験」も大変重要視されています。物質の本質を知ることで、さまざまな現象の原因や原理を知ることもできます。
ここでは、物理学の中でも最も基本的な力学、運動等を記載します。
これらの基本を理解したうえで、ロープレスキューや器具の取り扱いをしてください。

力とは
合力と分力
力の大きさ
メカニカルアドバンテージ
摩擦
倍力システム

力とは

力とは、物体の位置や形状に変化を加えるものです。
力学で使われる力には、重力、張力、摩擦力などがあり、視覚的にわかりやすくするために、「矢印」　が用いられます。
そして、この矢印によって、”どの点に”、”どのくらいの大きさで”、”どの方向に”　力が働いているのかが理解できます。矢印は「ベクトル」ともいいます。

力は、矢印の長さや向きによって、次のように表現されます。

・力の大きさ　　・・・　矢印の長さ
・力の向き　・・・　矢印の向き
・作用点　・・・　矢印の始点

これらを力の三要素といいます。

合力と分力

力は合成したり、分解することができます。
図に示すように力Fは、F1とF2に分解することができます。

このとき、
F は F1 と F2 の「合力」ごうりょく
F1 と F2 は F の「分力」ぶんりょく
といいます。

例えば、これを具体例で示すと、次の図のように
荷物を Fの力で一人で引っ張ることと、F より小さな力で二人で引っ張ることは同じ働きをすることになります。

また、合力は引っ張る角度によって大きさが異なります。角度が大きくなればなるほど合力は小さくなります。

２つの力が一直線上にあり、同じ向きの場合、合力 F = F1 + F2
反対向きの場合、合力 F = F2 – F1 となります。

「合力」は英語で「フォース(force)」といいます。

力の大きさ

ニュートン（N）は力の大きさを表す単位です。「kgやgじゃないの？」と思うかもしれませんが、kgやgは質量の単位です。ニュートンの単位は、質量に重力加速度をかけたものです。1.0kg×9.8m/s2＝9.8Nで定義されます（1.0は質量、9.8は重力加速度）
他にも、「地球の重力の6分の1である月面上では何ニュートン？」という質問も出されやすいのですが、月面上ではニュートン（N）は地球上の6分の1になります。
ニュートン（N）は地球外で変化しますが、質量であるグラムはどこへ行っても変わりません

メカニカルアドバンテージ

メカニカルアドバンテージは、滑車の効果に基づくものです。メカニカルアドバンテージを使用した倍力システムは、荷重を引き上げるのに必要な力を減らすことができます。

滑車の効果

ロープに荷重が吊り下がり、その上方に設置された定滑車を通った反対側のロープを人が保持している状況を考えた場合、片方のロープにかかる荷重の全ては、定滑車を挟んだ反対側のロープに伝わります。

荷重が５０kg の場合、人は５０kg 相当の力で自分側のロープを保持する必要があります。それぞれの側のロープに５０kg 相当の力がかかるため、定滑車が支えるのは１００kg となります。

動滑車では、動滑車にかかっている左右のひもでおもりを支えることになります。天井につながっているひもが、おもりにはたらいている重力の半分を支えているため、手がひもを引く力は半分になります。
そして、手が引くほうのひもを、天井に固定されたひもの分をふくめて持ち上げる必要があるため、引く距離はおもりの２倍となります。

備考: この理論は、実際には存在しない効率 100% の滑車でのみ成り立ちます。実際は、滑車の効率は 50% から 98% です。計算を簡単にするために、ここでは効率 100% の滑車を前提に説明します。

角度による荷重の変化

分力による支持点への荷重状況　合力による支点への荷重状況

A　角度（°）	B　荷重（％）	角度（°）	荷重（％）
０	５０．０	０	２００
３０	５１．８	３０	１９３
６０	５７．７	６０	１７３
９０	７０．７	９０	１４１
１２０	１００．０	１２０	１００

以上の表からも分かるとおり、救助活動の中で、支点を用いる場合は合力や分力を考慮した活動が必要になります。
大きな角度は必要以上の荷重がかかるため、支点は９０度以内になるよう設定しましょう。

このチャートは、ロープ間の角度が増加するにつれて力がどのように劇的に増加するかを示しています。

便利な分度器

親指を大きく広げると、親指と人差し指の角度は約90度(一般的に最大角度と見なされます)です。すべての指を大きく広げると、親指と小指の角度は約120度(「限界角」)になります。

摩擦

摩擦は、2つの物体が接触したときに生じる運動に対する抵抗です。救助中、摩擦により、ブレーキバーラックを通して物や人をゆっくりと下げ、懸垂下降中に制御を維持することができます。手袋をはめた手を通してロープが滑る速度を制御する能力でさえ、摩擦に依存します。下降するとき、摩擦は武器となります。

摩擦は敵にもなり、負荷を上げようとするとエネルギーを吸収します。ロープがカラビナや滑車を通して岩や建物の端の上に引っ張られると、動きに抵抗し、最終的にあなたの主題への道を見つけます。そして、ロープが他の物体に遭遇する角度は、摩擦に大きな影響を与えます。たとえば、昇降システムのロープが建物の端で 90 度曲がらなければならない場合、通常は荷重を上げるために必要な力が 2 倍になります。この場合、摩擦はあなたの敵です。

摩擦があなたを助けながら下げているのか、それとも上げることをより困難にしているかにかかわらず、摩擦によって消費されるエネルギーは失われず、熱に変換されます。熱は、最初に互いに擦れ合っている物体によって吸収され、その後空気中に分散される。摩擦を発生させる物体が小さければ小さいほど、それらはより高温になります。たとえば、同じ摩擦と力が与えられると、ラックが吸収する質量が多く、熱を放散する表面積が多いという理由だけで、小さなチューブスタイルの降下制御装置は、大きなブレーキバーラックよりもはるかに暖かくなります。

典型的な摩擦率
ブレーキバーラック	75% – 98%
カラビナ(180°曲げ)	40% – 60%
DCD	90% – 95%
プーリー(ボールベアリング)	5%
プーリー(ブロンズブッシング)	30%
レスキュー 8 DCD	80% – 95%

倍力システム

倍力システムとは、重たいものをできるだけ少ない力で動かしたり、上げたりするための、ロープとプーリー（動滑車・定滑車）の組み合わせ方です。

1:1 システム

1:1 システムは、上げる質量と同じだけ、同じ量の力で引っ張らなければなりません。また、ロープが滑車を通ったり、起伏の多い地形を横切ったりする場合は、摩擦のためにさらに引っ張る必要があります。
1:1システムが最良な選択である場合があります。これは、負荷がそれほど重くない場合(たとえば、救助者または被害者が引っ張られている間の斜面が低角度など)、または救助隊員がたくさんおり、十分に引っ張る力がある場合があります。