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産業革命の背景

 どうもこんばんはライネです。
 今日は、工場制手工業が工場制機械工業へと変化したことについて詳しく見て行きましょう。

 そもそもこれは人類史上の大きな転換点のひとつでして、
 一番最初にイギリスでこの変化が起こったそうです。

 機械による工業が行われるようになったことで、それまで産業の中心であった農業から、
 工業を中心とする国へと変化したため、これを「産業革命(さんぎょうかくめい)」と呼んでいます。
 

 産業革命が起こった背景には、当時のイギリスの社会的な状況が大きいそうです。
 具体的には、植民地という、言ってみれば何でも言うことを聞いてくれる国を持っており、
 例えば、工業に必要な材料を大量に作れと言えば、それを行い、
 その材料で作った製品を買えと言えば買ってくれたわけです。

 つまり、作れば作るだけ儲かるという状況だったわけです。
 けれども、人の手では作る量にも限度があり、作る量を増やすための機械が望まれていました。


 また、その機械を導入するに足る資金を持った人達も多く、
 農業では丁度、混合農業の先駆けであるノーフォーク農業が始まっていたので、
 食べ物の生産量も上昇し、工業にまわせる人手がたくさんいたわけです。

 その他にも、王様などの権力を持つ人によって、人々の行動が制限されることがなくなり、
 法律の範囲内で自由に活動できるような社会になったことも原因のひとつのようです。


 なにはともあれ、そういった背景があるなかで、大きな発明品が「蒸気機関(じょうききかん)」です。
 この便利な道具の登場によって、機械はどんどんと進化していくのですが、
 ここから先はまた明日説明しましょう。

蒸気の力について

 どうもこんばんはライネです。
 今日は産業革命を支えた技術、蒸気機関についてみていきましょう。

 まず、蒸気機関というのはどういうものなのかといいますと、
 これは意外と単純な機械でして、水を蒸発させることで得られる水蒸気を利用します。

 いちばん身近なところでは、ヤカンの音が鳴る仕組みとおなじです。
 ざっくり言うと、水は液体から気体になると、体積が増えます。
 体積というと、形があるように見えるので少し言葉を加えましょう。

 本来水というものは、小さな水の粒の集まりです。
 これが液体のときには粒と粒の距離が近いのですが、
 気体になると、粒と粒の距離が広がって、目に見えない水蒸気となるわけです。


 で、たとえば何かの容器の中に入れた水を熱して水蒸気にすると、
 水の粒が広がることで、その容器はパンパンに膨れます。
 また、その容器に穴を開ければ、その穴から勢いよく水蒸気が噴き出すというわけです。

 ヤカンは、穴の形を工夫することで、水蒸気がたくさん出るくらい水が温まったことを
 教えてくれるというわけです。


 で、これはわりと単純なシステムなので、
 蒸気機関そのものは今から2000年以上前からつくられていたそうです。

 そしてそれが今から200年前の産業革命を支えたというので、
 なんとも古い技術だなと思ったのですが、
 実は今パソコンを使っている電力もほとんどは、水蒸気の力で作っているのだそうです。


 たとえば火力発電はまさにそのまま火で水蒸気を作っているわけですが、
 原子力発電も、基本的にはものすごい高温になる原子力を使って、
 水を蒸発させているので、こちらも広い意味では蒸気機関が使われているということになります。

ニューメコンの蒸気機関について

 どうもこんばんはライネです。
 さて、今日は蒸気機関の発達について見ていきましょう。

 蒸気機関そのものについては昨日説明しましたが、
 たしかに考え方はシンプルなものでした。
 なので、それ自体は2000年以上前から存在していたようです。
 

 それを、産業革命を支える道具にまでしたきっかけは、イギリスのニューメコンという人です。
 ですが実は、この人が作ったのは地下水をくみ上げる道具であって、
 直接的に何かを作るための道具ではなかったようです。


 面白いのは、この時点では溜まった蒸気の圧力をそのまま利用するわけではなく、
 むしろ、蒸気の圧力でパンパンに膨らんだ器に水をかけて冷やすことで、
 しぼんでいく力を使っているところです。

 これには理由がありまして、どうやらこの当時の技術では、
 蒸気の圧力を直接何かの力に変えるだけの器が作れなかったようです。


蒸気機関
 こちらの図をご覧ください。
 ▲のおもりが乗っかったフタを、水蒸気が持ち上げるというものです。

 右側のものがニューメコンさんの作った蒸気機関を簡略化したもので、
 ある程度上昇すると、「べん」があって、ここに達したら水をぶっかけて、
 水蒸気を冷やし、▲が下がって行く力を使います。

 これならば、水蒸気が限界まで溜まることはなく、壊れにくいですね。
 左側のようにどこまでも▲をあげていく力を使おうとすると、
 どこかでふたを持ち上げるよりもAの部分にかかる力が強まり、
 ここが壊れて使えなくなってしまうと言う訳です。
 

 力をどう使うかによって、多少の違いはあると思いますが、
 単純に考えると、蒸気を使って強い力を得ようと思ったら、
 それだけ強い器が必要になるわけです。
 どうやら、これが難しかったようですね。


 ちなみに、ニューメコンさんが作った蒸気機関は、
 水を温めて、蒸気を溜めて、それを冷やして力を得るという形であったため、
 エネルギーの無駄遣いがとても多かったようです。
 先生がお風呂に入る時に、熱いお風呂だと、長く入っていられないから、水を入れるような感じです。
 せっかく温めたお風呂がもったいない!
 

ワットの蒸気機関

 どうもこんばんはライネです。
 雨は好きなのですが、こう雨が続くと、洗濯物が乾きません・・・。


 さて、今日はニューメコンさんの蒸気機関がどう変わっていったのか見て行きましょう。
 昨日説明したように、ニューメコンさんの蒸気機関は、
 温めたものを冷やすという作業が必要になるため、効率が良くありませんでした。

 そこで、ワットさんが登場します。
 基本的に、彼が加えた修正案のすごいところは2つあります。
 (実際はもっとありますが難しいので大事なところだけということで)

 まずニューメコンさんの方法から、器を直接冷ます方法をやめました。
 そうすることで、器は熱いまま、すぐに蒸気を補充できるようになったようです。

ワットの蒸気機関


 こちらの図をご覧ください。
 ニューメコンさんの蒸気機関でも器に水をぶっかけるようなことをしていたわけではないのですが、
 Aのように器に蒸気の出口を作り、Bの場所で蒸気を冷やすことで、
 温度を下げずに済むようになっています。
 ちなみにBのような場所を「復水器」と呼んでいます。
 

 もうひとつが、上下運動を円運動に変えたことです。
 これは簡単に言えば、自転車をこぐのと同じです。

 これの何がすごいかというと、ニューメコンさんの蒸気機関では下がる力のみを利用していたけれど、
 上がる力も使えるようになったというところです。

 ちなみにワットさんの蒸気機関は、ニューメコンさんのものに比べると4倍の効率が出せたそうです。
 ニューメコンさんの蒸気機関は石炭を採掘するときに出る水をくみ上げるものだったので、
 ついでに掘り出した石炭を使って、水を沸かす燃料にしていたのだそうです。

 効率が悪いとせっかく掘り出した石炭の大部分を水を沸かすために使うことになってしまいます。
 ワットさんの改良によって、より効率的にエネルギーが使えるようになったというわけです。

ニュートンとジュールとワットの関係

 どうもこんばんはライネです。
 今日はワットさんの功績によって名前が付けられた単位ワットについて見ていきます。


 よく電化製品を使う時にワットという言葉が出てきますが、
 これは「仕事率(しごとりつ)」というものを示す単位なのだそうです。

 さて、これをできるだけ噛み砕いて説明しましょう。
 まずは「仕事(しごと)」というものから理解しなければいけません。


 普通、仕事というと、「(主にお金を稼ぐための)労働・はたらき」のことを言う訳ですが、
 物理の世界では、「物を動かす」ことそのものをいうそうです。
 なので、例えば私がその辺のものを手につかんで放り投げる事も仕事に入るそうです。


 「物を動かす」というと、「hPa(ヘクトパスカル)」の説明をした時に登場した
 「N(ニュートン)」がそれです。

1ニュートンの図

 1ニュートンは「1キログラムのものを1メートル毎秒毎秒で動かすちから」でした。
 詳しくは、ちょうど1年前、2013年6月12日の記事を参照してください。
 

 このあたりが難しいのですが、ニュートンは「ちから」の単位です。
 なので、「10ニュートンの力でボールを投げる」というように表現しますが、
 あくまでも「ちから」の入れ方の単位であって、仕事の単位とはまた別です。


 仕事の単位としては「J(ジュール)」というものがあります。
 ジュールとは「1ニュートンの力で1メートル動かす仕事」と表現できます。

1ジュールの図

 つまり、「10ニュートンの力でボールを10メートル投げる」ことと、
 「100ニュートンの力でボールを1メートル投げる」ことは
 同じジュールを使っていると言うことになります。

 
 そしてワットというのは「仕事率」を示す単位なので、
 1ワットは「1秒間に1ジュールの仕事をする」ことと表現できるようです。
1ワットの図


 つまり、こういうことですね。
プロフィール

ライネ

Author:ライネ
ライネと申します。
先生の家に居候するラザフォード人です。
現在この世界のことを勉強中。
リンクとかもろもろ含めて商業的利用以外ならご自由にどうぞ。面白そうな企画には飛び乗ります。

合言葉は「真面目な事を不真面目に!」
記事の真偽は自己責任でお願いします。

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