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パスカルの原理とバックホー

4期生の大賀です。

僕らが山で行っている作業道づくりには、バックホーや不整地運搬車などの重機(=建設機械)をつかいます。

過去記事:壊れない作業道づくりで使っている重機「バックホー」「キャタトラ」「林内作業車」

基本的に、重機を操作するには機械ごとの「技能講習」や「特別教育」といったカリキュラムを教習所などで受講する必要があります。

はっきりいって退屈な授業なんですが、機械の基本的な構造や原理を学べるので、機械の素人としては勉強になることも多かったりします。


バックホーが土を「引く」力がより強いのはなぜ?

不整地運搬車の技能講習を受講中、講師の方から面白い質問がありました。

「バックホーがバケットで土を手前に引くのと、奥に押す(払う?)のとでは、どちらの動作がより力が強いでしょうか?」

だいたいこんな内容だったと思います。

僕がバックホーを操作している感覚としては、手前に引いてくる力のほうが圧倒的に強いです。でも考えてみるとその原因がわかりませんでした。


油圧装置とパスカルの原理

バックホーの腕(ブーム、アーム、バケット)を稼働させているのは油圧装置という、油を媒介として圧力を伝達する仕組みです。

そしてそれにはパスカルの原理が応用されています。教本から引用すると

油圧装置は「閉じ込められた液体の一部に加えた圧力は、液体のすべての部分にそのままの力で伝わる」
(コマツ教習所『不整地運搬車講習テキスト』p60)

というもの。

詳しくはイマイチわかってないんですが、一方から加えられた圧力は、もう一方の面積が大きくなるほど増大される(面積に比例する)、ということだけは理解できました。


引く力が強いのは面積が大きいから

バックホーの腕を実際に動かしているのはシリンダとよばれる装置です。

そこに油圧装置で力を加えることで、シリンダ内部にあるピストンロッドが伸び縮みします。

教本から図を転載するとこんな仕組みです。複動シリンダのほう(同テキストp64)↓

油の出入り口はシリンダの上下2方向にあって、それぞれの方向からピストンに油圧装置で力を加えて、ピストンロッドを上下させます。

このピストン。「ロッドが縮む側の面の広さ」は中心にロッドがあるので、「伸びる側の面の広さ」より小さくなっています。

そして油圧装置により加わる力は面積に比例するので、ピストンが伸びる側の力は縮む側の力より強くなります。

そしてそして、バックホーで土を引く動作をすると、

・ブーム:上がる
・アーム:手前に動く
・バケット:手前に閉じる

だいたいこんな具合に各部分が稼働しますが、そのときシリンダのピストンロッドは伸びる動きをします

まとめると、

①バックホーが土を引く動作のとき、ピストンロッドは伸びる。

②バックホーの腕はシリンダ内部のピストンが上下することで動く。

③ピストンロッドが伸びるとき、そのピストンに圧力がかかる面積は、縮む側とくらべて大きい。

④面積が大きいほど力も大きくなる。

⑤よって、引く動作のほうが力が大きい。


力の差には他の原因もありそうですが、油圧の仕組みを考えるとこんな感じのはず(間違ってたらすみません...)。


・・・

長々とニッチなことを書きましたが、何が言いたいかというと、「物事を原理から見るのはけっこう面白いな」ということでした。

おしまい。


書いた人:大賀

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島根県の西端に位置する津和野町で、自伐型林業に取り組む地域おこし協力隊のアカウントです。隊員6人がそれぞれの視点から、自伐型林業のことはもちろん日々の田舎暮らしのことなども含め更新していきます。https://tsuwano-yamories.com/
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