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家と子供と、今日のおじさん(仮)

2017年築の家で、妻+子供3人と過ごす記録です。ほのかに工学テイスト。

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工学的考察:「押し切り」だと軽く切れる理由は?~包丁の切れ味も使い方しだい
 本ブログの旧連載記事「今日の料理工学」の大きなテーマのひとつに「包丁」がありました。このテーマには、以後もさまざまな場面で関わることになりました。その「包丁」に関するひとつのまとめ的記事が、今回紹介する「今日のおじさん・アンコール」です。包丁の動かし方で、切れ味の感じ方は、かなり変わるんですよ!
 初出は2012/1/21。初めての育休(1年間)も、いよいよ大詰めの時期でした。


【今日の料理工学・アンコール】 ブラボー,押し切り!~包丁の切れ味も使い方しだい
 長らく続けました「包丁編」ですが,今回で最後です.

 今回は,包丁の効果的な使い方,「押し切り」についてです.


★食材が軽く切れる「押し切り」
 私が,日常的に(断続的でなく)料理をするようになったのは,育児休業が始まってからです.昨年(2011年)の2月からですので,ほぼ1年が経過しました.
 恥ずかしいことですが,私が料理を始めたばかりの頃は,包丁で食材を切るとき,常に下図1のように包丁を動かしていました.すなわち,食材の上から,包丁を真下に押し込むようにしていました.この切り方を,「真下切り」と呼ぶことにします..
<図1>
z20120121z11.jpg
 料理の経験が多少ある方は,ご存知かと思いますが,このような切断方法だと,あまりうまく切れません.特に,人参などの硬めの食材は,切るのに大きな力が必要になってしまいます.力が必要なので,ぎこちない動作になってしまい,トントン…と,リズミカルな切断ができません.

 包丁について,調べているうちに,「押し切り」というものがある,と知りました.「押し切り」では,下図2のように,包丁を動かします.すなわち,包丁を食材に対して,斜め奥に向けて押し込むようにします.
<図2>
z20120121z12.jpg
 この「押し切り」を試してみると,あら不思議.「真下切り」に比べて,ずっと少ない力で,切断ができるように感じます.軽い力で切断できるので,動作がスムーズにできます.「押し切り」を覚えてから,トントン…というリズミカルな切断作業が,どうにか形になりました.
 「押し切り」は,とても便利です.

 なお,「押し切り」のほかに,包丁を手前に引きながら切る「引き切り」もあります.「引き切り」は,肉や刺身などをきれいに切るときに,便利です.


★「押し切り」が軽く切れるのは,なぜ?
 なぜ,「押し切り」だと,「真下切り」よりも,軽い力で切れるのでしょうか.
 
 以前に考察した通り,包丁で食材を切るための力は,次の2つに分けられます.
 a)表面破断力:食材の表面を破断するための力.(詳しくは,→こちらの記事
 b)押し込み力:食材の内部を切り進むための力.(詳しくは,→こちらの記事
 「押し切り」だと,「真下切り」よりも,上の2つの力が,小さくて済むのかもしれません.

 また,包丁を操作するのは,人間です.したがって,実際に包丁にかかる力が同じでも,動作のしやすさなどによって,「押し切り」だと軽く感じる,という可能性もありそうです.

 以上を踏まえると,押し切りだと軽く切れる理由には,次のものがありそうです.
 a)押し切りだと,「表面破断力」を,小さくできる.
 b)押し切りだと,「押し込み力」を,小さくできる.
 c)押し切りの方が,力を入れやすいので,軽く感じる.

 以下で,詳しく考察してみます.


★食材の表面を破断するための力
 まず,食材の表面を破断するための力,「表面破断力」について,考えてみます.(「表面破断力」は,当方が勝手に使用している用語です.グローバルには通じません.)
 包丁の刃先を拡大すると,下図3左のように,ギザギザになっています.いわゆる「ノコ刃」です.(「ノコ刃」の詳細は,→こちらの記事
<図3>
z20120121z21.jpg
 この包丁を,食材に押し付けます.そうすると,図3右のように,ノコ刃のいくつかの先端が,食材に当たります.

 ノコ刃と食材の接触部を拡大すると,下図4のようになります.このとき,食材に作用する力は,「真下切り」と「押し切り」で,異なります.すなわち,
 ・真下切り:刃先の押し付け力だけが作用(図4左)
 ・押し切り:刃先の押し付け力+摩擦力が作用(図4右)
<図4>
z20120121z22.jpg
 食材が切断するか否かは,刃先の接触部近傍の応力状態によって決まります.真下切りと押し切りでは,作用する力が異なりますので,応力状態も異なります.
 
 食材の応力状態を,「弾性接触理論」で求めてみます.文献[1]を参考に計算しました.本来は,楕円体同士が接触する「点接触」モデルを用いるべきですが,簡便さから,円筒同士が接触する「線接触」モデルを用いました.詳細は異なりますが,概要は同じだと思います.
[1]Johnson;Contact Mechanics,Cambridge,(1985)
 結果を,下図5に示します.横軸は位置(接触部の全幅aに対する比),縦軸は食材表面の応力(横方向成分,最大応力pmaxに対する比.プラスは引張応力,マイナスは圧縮応力)です.次の3通りについて,図示しました.
 ・真下切りの場合
 ・押し切りで,刃先・食材間の摩擦係数μ=0.1の場合
 ・押し切りで,刃先・食材間の摩擦係数μ=0.2の場合
<図5>
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 図5で注目する点は,押し切りだと,包丁の移動方向に対して後ろ側の部分に,「引張応力」が作用する部分が生じる点です.たいていの食材は,圧縮応力よりも,引張応力によって破断する傾向があります(例えば,人参を押しつぶしてもなかなかつぶれないが,曲げると簡単に折れる).押し切りだと,食材表面に引張応力が生じるので,食材が破断しやすくなりそうです.

 以上のように,「押し切り」だと,摩擦力の作用で,食材表面に引張応力が生じます.このため,包丁を押し付ける力が「真下切り」と同じであっても,食材は破断しやすくなると考えられます.すなわち,「押し切り」では,「真下切り」よりも,表面破断力を小さくできそうです.


★食材の内部を切り進むための力
 以前の考察によると,食材の内部を切り進むための力「押し込み力」は,刃先の角度αが小さいほど,小さくできます.
 
 「真下切り」では,包丁を食材に対して,真下に移動させます.したがって,角度αの刃が,そのまま食材に押し込まれていきます(図6の水色部分).
<図6>
z20120120z01.jpg
 これに対して,「押し切り」では,包丁は食材に対して,斜めに進みます.このため,食材から見ると,刃先の角度はα’であるように見えます(図6の緑色部分).
 α’<αです.刃先の角度が小さいほど,押し込み力は小さくなります.したがって,押し切りでは,真下切りよりも,押し込み力を小さくできると考えられます.

 以前の記事によると,実際の包丁では,角度α=2~3[deg]でした(2000円包丁の場合.→こちらの記事).そこで,α=3[deg]としてみます.押し切りで,45°方向に包丁を移動させるとすると,幾何学的な関係から,α’=2[deg]となります.
 以前の考察によると,押し込み力は,αの2乗におおむね比例します.したがって,押し切りと真下切りの押し込み力の比は,
 (2[deg]/3[deg])^2≒0.4
となります.すなわち,押し切りでは,押し込み力は,真下切りの約4割にまで低減されると考えられます.

 以上のように,「押し切り」だと,見かけ上,刃先の角度を小さくすることができます.このため,「押し切り」だと,「真下切り」よりも,押し込み力が小さくなります.


★力の入れやすさ
 真下切りと押し切りでは,人間の動作が異なります.どのような違いが生じるかを調べてみます.
 人間の肩から先を,リンク機構として考えました.次のリンクで構成します.
 ・リンク1:肩からヒジまで(上腕),長さ=300mm
 ・リンク2:ヒジから手のひらまで(前腕+手),長さ=350mm
 ・リンク3:手のひらから包丁の先まで,長さ=250mm
 身長が1700mmの人を想定しました.肩の高さ=1400mm,まな板の高さ=800mm,とします.
 肩から350mm前方,まな板から高さ100mmの位置に包丁先端を置いて,切断作業を開始します.真下切りでは真下に,押し切りでは斜め45°方向に,包丁を動かします.包丁は,常に水平を保つとします.

 以上の条件で,切断作業をアニメーションにしました.エクセルのグラフ機能で複数枚の静止画を作図した後,フリーソフトで動画にしました.

 動画の左が真下切り,右が押し切りです.このアニメーションから,次のことが分かります.
 ・真下切りは,押し切りに比べて,腕の動きの範囲が小さい.
 ・押し切りでは,上腕が大きく動いている.

 上腕を動かすのは,肩の筋肉です.肩の筋肉は,ヒジを動かす筋肉に比べて,大きいです.大きい筋肉は,大きい力を簡単に出すことができると考えられます.押し切りでは,肩の筋肉を動員することができるので,食材を簡単に切ることができる可能性があります.
 
 以上のように,「押し切り」では,「真下切り」ではあまり使わない,肩の筋肉を使うようです.肩の筋肉は,ヒジを動かす筋肉よりも大きいので,力を出しやすいと推察されます.


 上述をまとめると,押し切りでは,表面破断力を小さくでき,押し込み力も小さくでき,力を出しやすい動きで作業できます.こうした理由によって,押し切りでは食材を軽く切れるのだと,考えられます.


(補足)
 以上は,「押し切り」についてでした.
 包丁を手前に引きながら切る「引き切り」では,押し切りよりも,包丁を動かす角度が浅くできます.すなわち,包丁が下に移動する量に対して,横に進む量を非常に大きくしやすいです.こうすると,上述の押し込み力を小さくする効果を,より強く得ることができます.これによって,刺身のようなデリケートな食材でも,スムーズに切断できます(腕によりますが).

(補足) 2012/5/3
 「真下切り」だと「押し切り」よりも力が必要、というイメージがある理由として、別の見方もあります。料理に慣れた人は、「押し切り」を人参など比較的切りやすい食材に限定して、また、「真下切り」をカボチャなど手強い食材に限定して、使います。すなわち、真下切りは、固い食材を相手にするときだけ使います。「真下切り」では、包丁の背に左手を当てて押し込むことができるので、固い食材を切るときに有利なのです。
 このような使い分けをしている人の場合は、「真下切り」では、相手にする食材が常に固いので、「真下切りは力がいる」というイメージを持ちやすいかもしれません。つまり、料理に慣れた人の場合、切り方の違いと、食材の違いを、イメージの中で混合しやすいと思われます。このために、「真下切り=力が必要」という印象を持ちやすいかもしれません。


【今回の結論】
 「押し切り」だと,食材を軽く切ることができます.その理由は,
 ・摩擦力の作用により,食材の表面を破断しやすくなる.
 ・見かけの刃先角度が小さくなるので,食材内部を切り進む力が,小さくて済む.
 ・肩の筋肉を使う動作になるので,力を入れやすい.


「押し切り」を初めて試したとき,その効果に感動しました.「ブラボー,押し切り!!」と,叫びたいくらいでしたが,妻がいたのでやめておきました.
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全部そろえたい!合体ロボット玩具で遊ぶ~ルパパト食玩につながる思い出
 今年(2018年)は、子供たち(娘7歳、長男4歳、次男2歳)と一緒に、いわゆる「戦隊モノ」のTV番組「怪盗戦隊ルパンレンジャーvs警察戦隊パトレンジャー」を見ています。特に長男4歳は、かなりの熱の入れようです。合体ロボットの食玩も買いました(→こちらの記事)。
 そんな「合体ロボット」と私の関わりのルーツを、「今日のおじさん・アンコール」で、お楽しみくださいませ。初出2011/7/22。


【今日の玩具工学・アンコール】 全部そろえたい!~合体ロボット玩具で遊ぶ
 前回は,磁石を利用した合体ロボット玩具を,紹介しました.今回は,「合体」つながりで,新旧の合体ロボット玩具を見てみます.


★昔の合体玩具:ガンダム
 図1は,「ガンダム合体セット」です.「機動戦士ガンダム」は,いわゆる「リアルロボット」系アニメの先駆けとされています.ガンダムの登場キャラクターのプラスチック模型は,「ガンプラ」として,一世を風靡したものです.これは,プラモデルではなく,組立済みの玩具です.
 ・商品名 :ガンダム 合体セット
 ・販売元 :クローバー
 ・入手時期:1980年頃
<図1>
20110722z1.jpg
 ガンダムの梱包状態です(図2).この頃の箱入りの玩具は,発泡スチロールのケースに梱包されているのが,通例だったと記憶しています.
<図2>
20110722z2.jpg
 ガンダムが,大地に立ちました(図3).ロボットというよりかは,人間ぽさを感じさせる,デフォルメされたプロポーションです.右手に持っているナギナタのような武器は,玩具オリジナルの武器です(本編には登場しません).
<図3>
20110722z6.jpg
 両手は,ばね仕掛けでパンチが飛ぶようになっています(図4).これも,アニメ本編にはない設定です.この頃の玩具ならではの,遊び心のあるギミックです.
<図4>
20110722z7.jpg
 図5は,説明書です.ガンダムは,上半身パーツと下半身パーツがあり,間にブロック状に変形した戦闘機(コアファイター)がセットされます.この戦闘機がコックピットになる,という設定でした.この合体構造は,アニメ本編中の設定を再現したものです.
<図5>
20110722z8.jpg
 以上のように,「ガンダム合体セット」は,アニメ本編の設定を活かしつつ,独自のギミックを盛り込んで,遊びの幅のある合体ロボット玩具となっています.


★最近の合体玩具:デカレンジャーロボ
 図6は,「デカレンジャーロボ」です(以下,デカロボ).デカロボは,「秘密戦隊ゴレンジャー」の後続シリーズにあたる特撮ヒーロードラマ「特捜戦隊デカレンジャー」に登場する,巨大ロボットです.このシリーズは,現在も続いており,現在(2011年)は,第35作である「海賊戦隊ゴーカイジャー」が放映中です.
 ・商品名 :DX特捜合体 デカレンジャーロボ
 ・販売元 :バンダイ
 ・入手時期:2004年
<図6>
20110722z3.jpg
 図7は,梱包状態です.梱包箱は,発泡スチロールではなく,ダンボールのような紙材を成形したものになっています.環境やコストに配慮したものと思われます.
20110722z4.jpg
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 最近のロボット玩具では,電飾や電動などの,電子仕掛が標準的になっています.デカロボでは,合体時にLEDが光り,電子音が鳴ります.本体に振動センサ(振動スイッチ)が入っており,腕や足を取り付けるときの「カチッ」という振動を拾って,スイッチが入るのです.これは,なかなか面白い仕組みです.(娘のガラガラにも,同じような仕組みがありました)
 下は,合体のときの動画です.


 また,胸のボタンを押すと,LED点灯とともに電子音が鳴り響きます.この電子音は,劇中で合体完了時に鳴る音と,そっくりにできています.昔は,電子音といえば「ピー」とか「プー」だったのに,ずいぶんと進歩したものです.
 下は,電子音を鳴らしたところです.振動センサを利用して,「かっこう良く歩かせる遊び」をしてみました.すっかり童心に帰る,育休おじさんです.

 最近の合体ロボット玩具は,劇中のシーンを忠実に再現できるような,リアルな作りのものが多いようです.


★貧乏な人のために:食玩「ミニプラ」がオススメ!
 最近の玩具は高価(5000円~10000円くらい)なので,我が家のように貧乏だと,なかなか手が出ません.そんな場合には,食玩である「ミニプラ」が,お勧めです.「食玩」とは,食品玩具のことで,小さなラムネなどがオマケに付いています.本来は,ラムネが本体で玩具がオマケなのですが,玩具があまりに立派なのです.
 下図8は,食玩の合体ロボット玩具です.同じくゴレンジャーシリーズの,「轟轟戦隊ボウケンジャー」に登場するロボットです.1個300円の箱を3個買うと,ロボット1体分の部品(5機の乗り物)が揃います.
 ・商品名 :ミニプラ ダイボウケン
 ・販売元 :バンダイ
 ・入手時期:2006年
<図8>
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 サイズは小さいですが,きちんと合体できます.この写真では,細かいところを塗装してあります.塗装をすると,見た目がグッと引き締まります.
<図9>
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 近年のゴレンジャーシリーズでは,ロボットが次から次へと登場します.3~4体のロボットが出ることも,珍しくないように思えます.きちんとした玩具ですと,とても全ては揃えられません.しかし,食玩であれば,フルコンプリートも可能です.
 下図10は,登場する全ての乗り物を揃えたところです(本来は18機あるのですが,写真では1機欠落しています).ひとつひとつは小さいですが,これだけ揃えると「おっ」と思わせてくれます.(ただし注意:ひとつひとつは安いですが,これだけ揃えると5000円くらいになります.)
<図10>
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 図10の乗り物を組み合わせて,色々なロボットに合体できます(図11).最近の合体ロボットは,複数のロボットがパーツを共用する「相互合体」を行います.このため,全てのパーツを揃えると,遊び方が大幅に広がるのです. 
<図11>
20110722z12.jpg
 合体あそびを楽しみたいならば,あまり高くないコストで,パーツを数多く揃えられるミニプラが,お勧めかもしれません.


【今回の結論】
 最近の合体ロボット玩具は,電装などを盛り込み,非常に精巧にできています.しかし,価格が高いのが難点です.純粋な合体遊びを楽しむのであれば,低コストの「食玩」を選ぶのも,悪くないかもしれません.


次回は,人形(フィギュア)で遊びます.


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スナップショットフォーカスはピントが荒い?~実験検証:M.ZUIKO DIGITAL 17mmF1.8単焦点レンズ
 今回は、オリンパスの単焦点レンズ17mm F1.8の特殊機能、「スナップショットフォーカス(snapshot focus)」の動作について書きます。


★念願の広角単焦点!17mmF1.8買いました。
 とうとう買ってしまいました。オリンパスのミラーレス一眼レフ(ノンレフ、マイクロフォーサーズ)用の交換レンズ、「M.ZUIKO DIGITAL 17mm F1.8」です。一眼カメラを使い始めてから、ずっと欲しかったレンズです。ここまで来るのに、ずいぶんと遠回りをしたものです。
・4年以上前の購入検討記事は、→こちら
・パナ15mmF1.7との比較検討記事は、→こちら
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 今回、このレンズを購入できたのは、価格が43000円(ヨドバシ、4300ポイント還元)まで下がっていたことと、オリンパスで5000円のキャッシュバックを開催中(2018/8/24~2018/11/2。E-PL8/9、E-M10mk2/mk3のいずれかを所有している必要あり)だったことです。実質、33700円で買えた、ということになります。これならば、中古より安いですよ!
20180824z01.jpg


★不思議機能「スナップショット・フォーカス」の謎を追え!
 この17mmF1.8を買って、ぜひ試しかったことがあります。「スナップショットフォーカス」という機能です。動作としては、レンズ先端にあるピントリングを手前に引くと、距離目盛りが現れて、MF(マニュアル・フォーカス)に切り替わる、というものです。この状態では、ピントリングは無限には回らず、有限の範囲で止まるように変化します。
20180824z10.jpg 20180824z11.jpg

 ただ、この「スナップショットフォーカス」は、単純にMFに切り替える機能ではないようです。説明書には、以下のように記載されています[1]。
「スナップショットフォーカスでは、撮影距離を目安にフォーカスリングで距離を設定します。カメラで設定した絞り値に応じた被写界深度目盛の距離にピントが合います。
・F5.6以上に絞り込んでの使用をおすすめします。
・カメラのAFモードに関わらず、設定した距離で撮影できます。」

[1]オリンパス:M.ZUIKO DIGITAL 17mm f1.8 取扱説明書

 その他、ネット情報を総合すると、いわゆる「パンフォーカス」的な使い方をするためのモード、と理解しました。つまり、絞りをある程度絞り、目測で撮影対象までの距離を調整し、パシャリと撮る、ということなのでしょう。子供撮りにおいては、あらかじめ子供の全身、あるいは半身が写るような距離を記憶しておき、状況に合わせてサッと設定し、シャッターを押せば、子供が動き回っても、おおむね狙い通りの結果(ピント)が得られる、という使い方ができそうです。これは、ぜひ試してみたいです。


★スナップショット・フォーカスは、ピントが荒いって本当?
 さておき、ネット情報を調べていると、気になる記述があったのです。いわく、「スナップショットフォーカス」では、ピントの合い方が荒くなる、ということです。具体的に、どういうことなのか、たいへん気になります。
 
 というわけで、例によって、実験を開始します。実験セットアップは、下の通り。撮影対象としてSIKUミニカー(トラクター)を置きます。カメラ(E-M10 mark3)で撮影対象を狙い、ピントリングを回して、ピントの動作を確認します。動作が分かりやすいように、ピント拡大表示(×5倍)を使用しました。このときの動作(カメラの液晶画面の動き)を、ビデオカメラで撮影しました。
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 以下の2条件について、ゆっくりとピントリングを回したときの、ピントの変化を確認・比較しました。
a)通常のマニュアルフォーカス
b)スナップショットフォーカス


★スナップショット・フォーカスは、通常のMFと動作が異なる!!
 結果です。下の動画をご覧ください。


 動画の通り、ゆっくりとピントリングを回したときの、a)通常MFと、b)スナップショットフォーカスで、ピントの変化のしかたには、明確な違いがありました。すなわち、スナップショットフォーカスでは、明らかに、ピントリングの動きに対して、ピントの変化がカクカクとした、階段状(ステップ状)の動きになっています。つまり、スナップショットフォーカスでは、ピントの合う位置が無段階でなく、通常のMFよりも粗くなっている、と言えます。
 なお、その他の違いとして、以下が分かりました。
1)通常のMFではフォーカスピーキングが動作するが、スナップショットフォーカスでは動作しない。
2)スナップショットフォーカスでは、通常のMFに比べて、ピントの調整可能範囲が狭い(通常MFよりも撮影対象に寄れない)。


★結論:スナップショットフォーカスは、ステップ的なピント合わせになっている
 以上の実験結果から、スナップショットフォーカスでは、通常のマニュアルフォーカスのような「無段階」のピント合わせではなく、段階的な(有限な)ピント合わせになっている、ということが分かりました。
 したがって、このスナップショットフォーカスを、単純にMFへの切り替えスイッチと考えてしまうと、細かなピントを合わせられないことになってしまいます。そうではなく、スナップショットフォーカスは、あくまで「ピントを目測でサッと合わせる」という使い方を意図しています。今回の実験を踏まえると、スナップショットフォーカスのいっそう適切な使い方が、見えてくるのではないでしょうか。


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夏休みの自由研究・ジャイロスライダー!~地球ゴマ生産終了、類似品は?
 子供たちの夏休みも、あっという間に、残り1週間ほどとなりました。当ブログでは、例年、夏休みになると、「今日の玩具工学」へのリンクバナーを掲示しています。いわゆる「夏休みの自由研究」対策として、工学的な視点でさまざまな「おもちゃ」を考察するシリーズでした。その中でも力の入った記事のひとつが、今回紹介する「地球ゴマ」に関するものです。2011/7/16初出、熊谷の、暑い暑い夏でした。
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【今日のおじさん・アンコール】 ジャイロスライダー!~地球ゴマで夏休みの工作を
 前回まで,「地球ゴマ」を使って,いろいろと遊んでみました.しかし,ちびっ子読者の皆さんは,こうお考えではないでしょうか.「確かに面白いところはあるが,夏休みの自由研究としては,もの足りない.」と.
 ご安心ください.今日は,地球ゴマを使って,新しい玩具の「工作」をご紹介します.工作であれば,夏休みの自由研究(自由課題)として,そこそこの存在感を主張できるのではないでしょうか.

 新しい玩具の紹介の前に,下の動画をご覧下さい.

 自転車の前輪に,回転する円板(ジャイロ)が仕込まれています.地球ゴマ同様の,「ジャイロ」を利用することによって,自転車を倒れにくくして,練習を簡単にするものです.子供用の自転車練習器具として,商品化されているようです[1].
[1]Gyrobike;
 http://www.thegyrobike.com/Default.asp


★これが「ジャイロスライダー」だ!
 今回の「新しい玩具」は,この練習器具にインスピレーションを得たものです.名づけて「ジャイロスライダー」です.
 「ジャイロスライダー(Gyro-slider)」の外観を,下図1に示します.地球ゴマの下に,車輪つきの台座が付いています.
<図1>
20110716z0a.jpg

 では,ジャイロスライダーで遊んでみましょう.動画をご覧下さい(音量に注意).


 ジャイロスライダーに付けた地球ゴマを回転させた状態で,いろいろな方向からつついて遊びます.つついてみると,ジャイロスライダーは勢いよく滑ります.ジャイロの作用で安定しているので,倒れることがありません.しかし,回転が止まると,あっけなく倒れてしまいます.
 地球ゴマは,単に回すだけでも面白いですが,このような仕掛けをしてみると,いっそう楽しめるのではないでしょうか.


★ジャイロスライダーの作り方
 それでは、ジャイロスライダーの製作にチャレンジしましょう!

<用意する材料>
 ・地球ゴマ
 ・木材(アガチス材など)
 ・ボール式キャスター(商品名:どこでもキャスター)
 ・戸車(網戸用)
 ・エポキシ系パテ(セメダイン木工パテなど)
 ・釘
 ・針金

 地球ゴマは、生産終了していますが、類似品は入手可能です。
 類似品も含めて、商品ラインナップをまとめました。→こちらの記事


<用意する工具>
20110716z4.jpg
 ・ノコギリ
 ・カッター(デザインナイフ)
 ・彫刻刀
 ・ピンバイス(手動ドリル)
 ・金やすり
 ・定規
 ・ノギス(あれば)
 ・ペンチ
 ・ニッパー


<作り方>
 写真を参考に,作ります.日頃から,プラモデルや日曜大工などの製作に慣れていれば,難しくはないと思います.
 下図2は,台座を横から見たところです.コの字形状になるように,3枚の木片を組み合わせています.木片の角は,カッターや金やすりで,面取りします.3枚の木片の接合には,釘を使っています.釘は,いきなり打ち込むのでなく,ピンバイスで下穴をあけてから打ち込むのが良いでしょう.
<図2>
20110716z5.jpg
 
 下図3は,地球ゴマを載せる部分です.この部分は,地球ゴマを支える重要な部分です.ピッタリと地球ゴマに接する必要があります.まず,左右の木片に,溝を彫っておきます.その後,次の手順で,支え部を作ります.
 i)木片に,エポキシパテを盛る.
 ii)地球ゴマに,ハンドクリームを塗る(接着防止のため).
 iii)地球ゴマを,エポキシパテに押し付ける.
 iv)地球ゴマをはずして,パテが固まるのを待つ.
 このような手順を踏むと,地球ゴマがピッタリはまる形状を,比較的簡単に作れます.パテが固まった後,地球ゴマをはめてみます.しっくりこないときには,彫刻刀で削ったり,パテを再度盛ったりします.
<図3>
20110716z1.jpg

 下図4は,台座の裏面です.木片中央に彫刻刀で溝を彫って,戸車を固定します.左右のボール式キャスターは,エポキシパテで固定しました.この際,エポキシパテが固まる前に,ボールキャスターを水平面に軽く押し付けます.そうすると,戸車と左右のボールキャスターとを,同一平面上に位置させることができます.
<図4>
20110716z2.jpg

 下図5は,地球ゴマの固定部分です.木片にピンバイスで穴をあけて,針金を差し込んでいます.針金の脱着は,ペンチで行います.
<図5>
20110716z3.jpg

 さて,上手に完成したでしょうか.
 君だけのジャイロスライダーを作って,クラスのみんなに自慢しよう!


次回は「磁気浮上ゴマ」です.浮いて回ります!


【今回の結論】
 「地球ゴマ」は,単品でも面白い玩具です.しかし,ひと工夫すると,いっそう面白い楽しみ方ができると思います.


(補足)2018/8/24
 この記事の作成当時は1000円前後で買えた「地球ゴマ」ですが、現在は生産終了しており、プレミアム価格となっています。代替品もありますが、オリジナルほどの洗練度を誇るものは、見つからないのが現状のようです。
 地球ゴマとその類似品について、商品ラインナップをまとめています。→こちらの記事



「ジャイロスライダー? 随分と,やぼったい名前を付けたものですね.」
「じゃあ,『なんじゃぃろスライダー』と呼んでくださいさー.」
やぼったい育休おじさんに,やぼったい応援を.
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ガラスが割れやすいのはなぜ?~破壊じん性値KIC、表面のキズと強度
 なぜでしょうか、「破壊じん性値」について書いた記事が、このブログの人気コンテンツのひとつになっているようです。学校の宿題か何かで、調べる方が多いのかもしれません。そんなわけで、「今日のおじさん・アンコール」は、ガラスの「ぜい性」について、勉強しつつ書いたこの記事。数式を使って、定量的に説明していますので、子供から大人まで、理解しやすいと思います。初出2010/10/28。


【今日の料理工学・アンコール】 ガラスが割れやすいのはなぜ?~破壊じん性値KIC
 前回まで,ガラス食器の破壊について,考察してきました.
 疑問に思うのが,なぜ,ガラス食器ばかり割れてしまうのか,ということです.金属(鋼,アルミなど)やプラスチックの食器は,めったに割れません.陶磁器の食器も割れますが,我が家の場合,ガラスに比べて頻度はそれほど高くない気がします.
 これは,ガラスが「もろい」ためと考えられます.材料の「もろさ」を示す言葉には,次の2つがあります.
 ・ぜい性(脆性):材料の,もろい程度.
 ・じん性(靭性):材料の,もろくない程度.
 つまり,ガラスは「もろい」=「ぜい性が高い」=「じん性が低い」,と言い表せます.


★材料のじん性を示す指標「破壊じん性値」
 材料の強度を考える際,次の2つの視点があります[2].
 a)内部に欠陥のない材料の強度
 b)内部に欠陥のある材料の強度
[2]日本材料学会編;材料強度学,日本材料学会,(1994)

 a)は,「引張強度」や「曲げ強度」で,ほぼ均質とみなせる材料の強度です.機械屋が「強度」といえば,普通はこちらを指すことが多いと思います.
 対して,b)は,材料内部に欠陥があるときの強度です.材料内部に,き裂(亀裂)状の欠陥があると,一定以上の荷重を受けた際に,急速にき裂が進展(伝ぱ)して,破損にいたることがあるそうです[2].同じ荷重を受けていても,材料によって,き裂が進展しやすいものと,しにくいものがあります.き裂の進展のしづらさを示す指標が,「破壊じん性値(fracture toughness value)」です.破壊じん性値は,き裂先端近傍の応力状態を代表するパラメータ「応力拡大係数」を基礎として,導かれるようです.
 破壊じん性値には,き裂の位置や,荷重とき裂の向きの違いによって,いろいろな種類があるようです.これらのうち,「平面ひずみ破壊じん性値」が,設計上よく使われるようです[2].この値は,ASTM(American Society for Testing and Materials)などで規定された試験で,実験的に求めることができます.また,平面ひずみ破壊じん性値は,記号「KⅠC」(Ⅰはギリシア数字)で表されるのが,慣例のようです.
 平面ひずみ破壊じん性値KⅠCが大きいほど,き裂を進展させるために必要な荷重が大きくなります.すなわち,KⅠCが大きいほど,き裂が進展しにくい,「じん性が高い」材料と言えます.


★いろいろな材料の破壊じん性値
 下図1のように,材料が一様な応力σ[MPa]を受けている状態を考えます.材料内部のき裂の長さを2a[m]とします.
<図1>
20111028z1.jpg
 応力σが,次式1の値となると,急速にき裂が進展し,破損に至ります[2](これが,KⅠCの定義です).ここで,KⅠCの単位は,[MPa・m^0.5]です.
<式1>
20111028s1.jpg
 いろいろな材料の引張強度およびKICは,次のようになっています.ガラス以外は,実際に食器に使われる材料とは,だいぶかけ離れている気がしますが,これらの値しか見つかりませんでした.また,本当はプラスチック材料も調べたかったのですが,値を見つけられませんでした.
●アルミニウム合金,A2024-T4(超ジュラルミン)
・引張強度: 324[MPa]    …[2]
・KⅠC :49.5[MPa・m^0.5] …[2]
●鋼材,AISI4340(クロムモリブデン鋼・焼入れ焼戻し,航空機用?)
・引張強度:1656[MPa]    …[2]
・KⅠC :61.5[MPa・m^0.5] …[2]
●ガラス,ソーダ石灰ガラス(普通のガラス)
・曲げ強度: 49[MPa]    …[4]
・KⅠC :0.75[MPa・m^0.5] …[3]
●セラミック,アルミナ(Al2O3)
・曲げ強度:400[MPa]    …[2]
・KⅠC : 5[MPa・m^0.5] …[2]
[3]松岡;ガラスの破壊における水分の効果,NEW GLASS,v.21,n.3,(2006)
http://www.newglass.jp/mag/TITL/maghtml/82-pdf/+82-p041.pdf
[4]日本板硝子;ガラス建材 総合カタログ
http://glass-catalog.jp/gijyutsu/index.html


★ガラスが破壊しやすい理由は
 上の値を用いて,欠陥長さaと材料強度σBの関係を求めました.材料強度σBは,次のように計算しました.
i)任意の欠陥長さaに対して,式1でσを計算する.
ii)σ≦引張強度(or曲げ強度)のときは,σB=σとする.
  σ>引張強度(or曲げ強度)のときは,σB=引張強度(or曲げ強度)とする.
 結果を,下図2に示します.横軸は欠陥長さa,縦軸は強度σBです.
<図2>
20111028z2.jpg
 また,下図3は,図2の縦軸の強度を,引張強度(or曲げ強度)との比で表したものです.
<図3> 
20111028z3.jpg
 この結果から,強度が引張強度(or曲げ強度)の半分になるような欠陥の長さは,次のようになります.
 ・アルミ  :約50mm
 ・鋼材   :約5mm
 ・ガラス  :約0.5mm
 ・セラミック:約0.5mm
 ガラスやセラミックなどの「ぜい性材料」では,小さな欠陥でも,大きく強度が低下すると言えそうです.ガラス食器の使用に伴って,ガラス表面のキズは,避けられません.キズは,すなわち欠陥ですから,ガラスの強度を大きく下げる可能性があります.
 さらに,ガラスは,金属材料やセラミックと比べると,もともとの強度があまり高くないので,より破壊が生じやすいと,考えられます.


【今回の結論】
 ガラス食器が破損しやすいのは,次の2つが原因と考えられます.
 ・もともとの強度(引張強度や曲げ強度)が,それほど高くない.
 ・表面の小さなキズでも,強度が低下しやすい(じん性が低い).
 ガラス食器の破損を防ぐには,表面にキズをつけないことが,重要そうです.


(補足) 2018/8/22
 ガラスは割れやすいのですが、最近の我が家ではセトモノもよく割れるので、「コレール(Corell)」を使っています。再びガラスに戻って来た、というわけです。(コレールは、表面に圧縮応力を付与した、3層強化ガラスです。→こちらの記事


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