機械工学の４力学について

理工系（機械工学）を学んだ経験がある人であれば、聞いたことがあるはず。タイトルにある「４力学」について、今回は話をしようと思う。

大学や高専（工業高等専門学校）の「機械工学」に関する学科であれば、必ず履修する科目だ。機械工学と聞くと、製図や設計など実地的な内容を想像しがちだが、４力学はその基礎となる重要な科目である。

４力学を項目で説明しておくと「機械力学・熱力学・流体力学・材料力学」の４つで構成される。それぞれについては後に詳しく説明する。

４力学の目的と用途

先に説明した通り、４力学は基礎学問という位置付けである。高校で習う物理学に近いイメージだが、その内容は高校の時とは全然違う。

その最たる理由が、高度な数学の知識を使うところである。大学では４力学と同時並行で数学についても学習する。微分方程式に線形代数、ベクトル解析など高校の頃より高度な内容に触れることになる。

この大学で習う数学の知識を駆使して４力学の理解を深めていく。実は高校の物理学で習う範囲も多少被るのだが、その背景にあるのが大学レベルの数学の内容であることも多い。そのため、高校の範囲をより本質的に知ることにもなる。

大学や高専では４力学の知識をベースとして、電気工学や制御工学、情報工学など応用科目を履修する。実習科目においても、この知識をもとに高度な問題にチャレンジすることになる。

また、卒業研究ではこの４力学を自身の専門分野とした上で、より現実的な課題に取り組むこともある（私は４力学の中の材料力学を専攻していた）。

４力学その１ 〜機械力学〜

ここからは、４力学（機械力学・熱力学・流体力学・材料力学）のそれぞれについて見てみる。

機械力学は、ニュートンの力学で言うところの「剛体力学」の話題が中心である。変形しないもの（剛体）の運動を扱う。

機械動作はカムやリンク、歯車などの機械要素からなる力の伝達を扱う機構学、センサーやアクチュエータなどを扱う自動制御学など幅広い分野があり、機械力学はその基礎（土台）とも言える。

また、４力学の中では最も高校の物理学と被る分野である。高校で習う物理学と微分積分（微分方程式）を足した感じだと捉えて頂ければ良い。

４力学その２ 〜熱力学〜

気体や液体の持つエネルギーを扱う。高校の化学で学習する分子量や物質量の話も登場する。微分積分（微分方程式）やエンタルピー・エントロピーの話を除けば、高校の物理学とそう大差はない。

昔に使われていた蒸気機関車を説明すると、蒸気機関車は石炭や重油の燃焼により水を沸騰させ蒸気を作る。そして、作られた蒸気の力を利用して動力を生み出している。要するに、この熱が持つエネルギーによって、蒸気機関車は仕事をするということだ。

このサイクルを理解する上で必要なのが「熱力学」である。４力学の中でも原子・分子レベルのマクロな挙動を扱うことになる。

４力学その３ 〜流体力学〜

気体や液体の流れ（流体）について扱う。後に説明する材料力学を含めて「連続体力学」と呼ばれる分野の一翼を担う。

私たちの身近にあるところでは、商用電力である水力・火力・原子力・風力発電については、流体のエネルギーを機械的なエネルギーに変換させている。また、航空機が上昇する際に必要不可欠な「揚力」についても流体力学の範囲である。

流体力学では多くの近似法を学ぶことになる。現実にはコンピューターシミュレーションが用いられるので、この近似法の知識は役立つ場面としては微妙だが、数値計算を知る上では欠かせない。

４力学その４ 〜材料力学〜

弾性力学（＝フックの法則）や塑性変形（永久変形とも言う）など、固体の変形を対象としている。

設計者の立場では材料力学の知識は必須である。なぜなら、壊れない機械や製品を設計すること、設計した機械や製品の変形挙動を予測することに繋がるからだ。

流体力学と同様に多くの近似が含まれており、実際にはコンピュータシミュレーションを使うことが多い。その代表格と言えるのが有限要素法である（私も学生時代に研究でお世話になった）。

前にも書いたが、流体力学と材料力学を合わせて「連続体力学」と称する時もある。

おわりに

今回は、機械工学において重要な「４力学」について紹介した。

実際に必要になる人は限られるものの、モノづくりの分野では必要不可欠な知識でもある。今後このような分野を目指される人には、ぜひ心に留めてもらえて損の無い話である。

個人的には４力学の勉強は物理学の延長で、結構楽めたと思う。だからこそ現在の仕事に就いているのだが、未だに勉強不足のところもある奥深い分野なので、引き続き楽しみながら勉強を積み重ねていきたい。

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最後まで読んでいただき、ありがとうございました。実際は非定期ですが、毎日更新する気持ちで取り組んでいます。あなたの人生の新たな１ページに添えるように頑張ります。何卒よろしくお願いいたします。

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