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自家発電設備レクチャー

第１回『発電装置の仕事量と仕事率』
４月号より、長年第一線で活躍されてこられた発質量と重量については物体の重さを分銅とのつり電設備のエンジニアの方々に寄稿いただき、自家発合いで計測する天秤と、ばねのフックの法則を利用電設備の設計、施工及び保全の各分野の実務上の要して計測するばねばかりで説明されます。

点について誌上にて講義していただく「自家発電設備レクチャー」の連載を開始します。第１回は、「発質量は、その物体が持つ固有の値であり、重力加速度が異なる地球上と月面上で値は同一です。

電装置の仕事量と仕事率」と題し、装置設計におい一方、月面での物体の重量は重力加速度が地球上て必ず習熟しておかなければならない物理的事項等の１/６であることから、ばねばかりで計測すると、について、内発協技術部長の沼田明が講義します。

地球上の値の１/６になります。
地球上で６kgの物体を天秤で計測してもばねばか

1．はじめにりで計測しても同じ６kgになります。ところが月面発電装置の出力やその出力でどれ位の時間運転で上では天秤ばかりで計測すると６kgですが、ばねばきるかなど、発電装置を設置するに当たっては様々かりで計測すると１kgになります。さらに詳しい説な検討が必要です。これらの検討に当たっては仕事明や事例などはインターネット上で検索すると数多量と仕事率についての知識が肝要です。

くあります。

併せて、質量と重量の相違、力や仕事の単位につここで仕事量と仕事率の話に戻ります。

いても説明します。これらは中学や高校の物理でも物理学で仕事量とは、物体に力を加えて、その力学習することになっていますが、基礎的な内容になの方向に移動したとき使用されたエネルギーであるりますので、改めて自家用発電設備専門技術者テキと定義されます。

スト（以下「テキスト」）等も参照して確認してみて下さい。

例えば、ある機械で重量が１kgの物体を高さ１ｍまで吊り上げると、その機械は仕事をしたことにな2．仕事量と仕事率ります。この時、機械はどの位の仕事をしたのかという物理量を表すには単位が必要です。この仕事量

まず、仕事量と仕事率の説明をする前に、重量とを表す単位にＪ（ジュール）を用います。Ｊはエネ

質量について簡単に説明します。重量と質量は混同ルギー（熱量）の単位であり、国際単位系におけるされやすく、また理解しにくいものです。これは地１Ｊの定義は「１Ｎ（ニュートン）の力がその力の球上では重量と質量が同じ値になるためです。

方向に物体を１ｍ動かすときの仕事」となっています。
ここでＮというあまり日常では使用しない単位が出てきます。重量が1kgの物体は何もしなければ重力により落下します。これを一定の位置にとどめるには重力（重力加速度）に打ち勝つ力で支える必要があり、この力が１Ｎになります。Ｎの語源であるイギリスの物理学者ニュートンが万有引力の法則を見出したことにより名付けられました。地球上での重力は引力と自転による遠心力の合力になります。
物体を自然落下させた場合、重力により物体の落下速度が単位時間当たりどれだけ早くなるか（加速するか）を表す単位が重力加速度であり、地球上で12

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は9.8ｍ/s2です。１Ｎは１kgの物体に9.8ｍ/s2の加速度を生じさせる力になります。
つまり、１kgの物体を吊り上げるためにはこの重力加速度に打ち勝つ力が必要であり、これが前述のＮになります。
次に仕事率ですが、重量が１kgの物体をある機械で高さ１ｍまで吊り上げるのに必要な仕事量は１Ｊですが、それに１秒かかるのか10秒かかるのかで吊り上げ機械の単位時間当たり仕事量が異なります。
ここに単位時間当たりの仕事量を仕事率といい単位はＷ（ワット）です。１Ｗは１秒当たり１Ｊの仕事をした時の値になります。原動機の出力はkＷ（キロワット）やMＷ（メガワット）で表しますが、それぞれ×103及び×106になります。
重量が１kgの物体をある機械で高さ１ｍまで吊り上げるときの仕事量および仕事率は以下のようにな

図１

物体が静止している状態ります。
まず図１に示すように、１kgの物体を一定の位置にとどめるには重力（重力加速度）に打ち勝つ力で支える必要があります。この力は以下の式で表されます。
１kg×9.8ｍ/s2＝9.8N
次に図２に示すように、この物体にかかる重力に打ち勝ち、任意の時間をかけて１ｍ吊り上げるのに必要な仕事量は次式になります。
9.8Ｎ×１ｍ＝9.8Ｊ

1m

さらに図３に示すように、これを１秒間で吊上げ1kg1kgるために必要な仕事率は次式になります。

9.8J

9.8Ｊ÷１s2＝9.8Ｗ
逆に9.8Ｗの仕事率で１秒間仕事をすればその時の図２

物体を１ｍ吊り上げる状態仕事量は9.8Ｊになります。したがって、Ｊ（ジュール）＝Ｗs（ワット秒）となり、仕事量は次式で表せるよ
うに、仕事率×時間です。
9.8Ｗ×1s2＝9.8Ｊ
同様に、水平な床に置いた重量1kgの物体を動かす仕事は次のようになります。
図４に示すように、物体と床の間には垂直抗力Ｒ（Ｎ）が働きます。垂直抗力は物体による重量で床を押す力と同じ大きさで、床から物体を押し返す反力であり、以下のように重量に重力加速度を乗じた値になります。単位はＮ（ニュートン）です。
Ｒ＝１kg×9.8ｍ/s2＝9.8Ｎ
この物体に床と平行な力（水平牽引力）を加えても物体は床との間の摩擦力によってその場所にとど内発協ニュース／2018年４月号

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1m／1秒

1kg
1kg

9.8W

図３ 物体を１秒で１ｍ吊り上げる状態

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１m

動摩擦力
4.9Ｎ
（μ’＝0.5）

１kg

１kg

垂直抗力R
9.8Ｎ

垂直抗力R
9.8Ｎ
図４水平牽引力
4.9Ｎ

床上の１kgの物体を１ｍ移動する場合まろうとします。このとどまろうとする力静摩擦力

また、三相交流では次式となり（テキスト第２章

Fr（Ｎ）は以下のように垂直抗力Rに静摩擦係数μをの２-17参照）、乗じた値になります。

⇨Ｐ＝

3 ×Ｖ×Ｉ×cosφ

Fr＝R×μここでcosφとは、力率と呼ばれており、皮相電力さらに、徐々に水平牽引力を増加させると、静摩に対する有効電力の比です。（テキスト第２章の２

擦力に打ち勝った時点で物体が動き始めます。この時の摩擦係数を動摩擦係数 μ’といい、水平牽引力は-17参照）
単相交流では次式となります。
Ｐ＝Ｖ×Ｉ×cosφ

以下の式になります。
Fr’＝R×μ’

電力とは電流によって単位時間になされる仕事量、動摩擦係数が仮に0.5であれば物体が動きだすときすなわち単位時間（１秒）当たりの電気エネルギーの動摩擦力Fr’（Ｎ）は以下のようになります。
Fr’＝9.8Ｎ×0.5＝4.9Ｎ
この動摩擦力と同等の水平牽引力F’（Ｎ）で物体を１ｍ動かせば4.9Ｊの仕事量であり、移動時間が１秒であれば4.9Ｗの仕事率になります。

３．電力と電力量であり、単位としてはＷが用いられます。
（テキスト
２-２参照）
１Ｗs＝１J
１Ｗh＝3,600 J
電力量を取り扱うときは大きな量を扱うことが多く、1kＷの電力を１時間使用したときの電力量の単電流による仕事に関しては平成29年度版テキスト
第２章の２-２及び２-17で述べられています。
Ｒ（Ω）の抵抗にＩ（Ａ）の電流を流すと、抵抗には、
2

Ｐ＝Ｉ ×Rの電力が熱として発生します。このＩ2Ｒをジュール熱といいます。オームの法則により、電圧をＶ（Ｖ）とすると
Ｒ＝Ｖ/Ｉであることから、直流回路の場合、電力Ｐ（Ｗ）は次式となします。

位として，１キロワット時（kＷh）が用いられます。
１kＷh＝1,000Ｗh＝3.6×106J＝3,600kJ
ここで、熱量の単位としてcal（カロリー）があります。力学的エネルギーや電気的エネルギーは国際単位系であるＪを用いますが、食品の持つ熱エネル
ギーや運動により消費されるエネルギーはcalを使用するのが一般的です。換算式は以下の式になります。
１J=0.24cal
第２回は「軸出力とトルク（回転力）及び平均有効圧力」について講義します。

Ｐ＝Ｖ×Ｉ

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