仕事とエネルギー

私たちが、物体を、ある高さだけ持ち上げたときにする仕事はその物体の重さと、持ち上げた距離との積であらわします。

動いている物体は、外からその物体を止めようとしないかぎり、等速運動を続けます。
これを、止めるには、その物体を止めるだけの仕事をしなければなりません。

持ち上げられた物体は、落ちることによってまた、動いている物体は動いていることによって仕事をする能力がある場合に、その物体はエネルギーをもっていると言います。

位置エネルギー

水力発電所のダムにたくわえられた水は水圧鉄管の中を、落ちることによって、発電機の水車をまわす仕事をします。

このような場合に物体は、位置エネルギーをもっていると言います。
これは、重力による位置エネルギーの例です。

このほか、ゴムやぜんまいを引っ張って、そのはしに物体をつけてはなすとゴ厶やぜんまいが縮むとき、物体を動かして仕事をします。

これは、引き伸ばされたゴムやぜんまいが、位置エネルギーを持っているからでこの場合には、ゴムやぜんまいの弾力がもとになっています。

位置エネルギーの例ば、重力や弾力だけでなく電気力や磁気力でも、位置エネルギーが考えられます。

運動エネルギー

物体が、ある速度をもって動いているときにほかの物体に衝突すると、その物体を動かして仕事をします。

このようなエネルギーを、運動エネルギーと言います。

運動エネルギーの大きさは動いている物体の速度が大きいほどまた、物体の質量が大きいほど大きくなります。

エネルギーのあらわし方

位置エネルギーも運動エネルギーも、仕事をすることができる能力をもっています。
ですから、物体が仕事をすることができれば、その原因が何であってもエネルギーをもっているということができます。

エネルギーをあらわす単位には、仕事と同じ単位を使います。
たとえば、運動エネルギーでは、物体がその速さがなくなるまでにする仕事の量で、その大きさをあらわします。

熱エネルギー

木炭・石炭・石油・ガソリン・ガスなどを燃やすと、熱がでます。
この熱を蒸気機関や、ディーゼル機関・ガソリン機関などの熱機関に加えるといろいろの仕事をします。

したがって、然もエネルギーの一種であることがわかります。

現代文化のエネルギーのほとんどは熱エネルギーであるといっても言い過ぎではないでしょう。

電気エネルギー

電動機に電流を通すと、回転運動を起こして、仕事をします。
したがって、電気もエネルギーの一種であることがわかります。

電気エネルギーは、熱エネルギーよりも輸送に便利です。
そればかりか、電動機は効率がよく、清潔である点がすぐれています。

そのため、電動機は、電気機関車や工場の大型電動機から家庭用の井戸の電動機や電気洗濯器・電気掃除機・電気冷蔵庫などの小型電動機にいたるまで、広く使われています。

したがって、私たちの文化生活のもとになるエネルギーは熱エネルギーとともに電気エネルギーがその大部分をしめているといえましょう。

その他のエネルギー

位置エネルギー・運動エネルギー・熱エネルギー・電気エネルギーのほかにもいろいろのエネルギーがあります。

たとえば、石炭や石油は、燃えるとき多量の熱を出すのでこれらの物質は、エネルギー（化学エネルギー）をもっています。

燃えることによって、化学エネルギーから熱エネルギーにかわるのです。

このほか、太陽熱による太陽エネルギー、核分裂などでえられる熱は核エネルギーから熱エネルギーにかわります。

光や音のエネルギーなどもあります。

エネルギーのうつりかわり

水力発電所のダムにたくわえられた水は、大きな位置エネルギーをもっています。
水のこの位置エネルギーは水が落ちることによって、運動エネルギーにかわります。
さらに、発電機の水車をまわすことによって、電気エネルギーにかわるのです。

火力発電所では、石炭や重油を燃やしそれでえた熱エネルギーで、タービンをまわします。
その運動エネルギーを、発電機で電気エネルギーにかえています。

電気エネルギーは、送電線によって工場や家庭へおくられます。
これが、電動機に入れば、運動エネルギーにかわりまた、電熱器に入れば、熱エネルギーにかわります。

電球に入れば、光のエネルギーにかわります。

蓄電池は、電池がもっている化学エネルギーを電気エネルギーにかえ豆電球に電気が流れることによって光のエネルギーにかわります。

このようにエネルギーは、物体から物体へのりうつるばかりでなくいままでに述べた、いろいろの形のエネルギーにかわります。

ここで、大切なことは、物体のあいだをうつったり、形をかえたりしてもあるときにもっているエネルギーの全量は、いつまで経っても減ることも増えることもないということです。

このことエネルギー保存の法則と言います。

原爆と水爆

濃縮されたウラン235を瞬間的に結合せると100万分の1秒ぐらいで、すべての原子核を分裂させることができます。

このとき、非常に大きい熱と光と放射線のエネルギーを出します。
これが、原子爆弾（原爆）です。

原爆を重水素で包んで爆発させると、その爆発の熱によって重水素が核反応を起こし、さらに大きい爆弾となります。

これが、水素爆弾（水爆）です。

原爆は、ある程度以上大きくすると、宇宙線などの中性子によって自然に爆発してしまうので、その大きさには、かぎりがあります。

これを制限質量と言い、それは約1～10キログラムぐらいだろうと考えられています。

ところが、水爆には、この制限がないのでいくらでも大きいものをつくることができます。

原子炉

原子核を分裂させると非常に少ない燃料で、多くのエネルギーをうることができます。

たとえば、ウラン1キログラ厶の核分裂によって出るエネルギーを熱量でいうと約200億カロリーになります。

これは、3000トンの石炭が燃えて出す熱量と同じです。

また、これを電気とくらべると100ワット電球を3万年つけっぱなしにできるエネルギーです。

そこで、このエネルギーを平和的に利用することが考えられました。

それには、ウランの核分裂を、ゆっくりと起こす装置をつくることです。
これが、原子炉の燃料には、天然のウランをそのまま使ったり少し濃縮したウランを使ったりします。

原子炉では中性子がさかんに発生しますがこの中性子は、物質を突き抜ける性質が強いので非常に危険です。

そこで、中性子が外へ飛び出さないように原子炉の本体を、いろいろの材料で包んであります。

原子炉では中性子がウラン238にとらえられて、ウラン239になりこれがベータ線を2回出して、プルトニウムという元素になります。

さらにこの元素も分裂する性質があります。このようにして分裂が続きます。

したがって、原子炉ではウラン235ばかりでなくその40倍もたくさんあるウラン238も燃料になります。

プラズマ

ほとんどの気体の分子が、＋と－の電気にわかれている状態をプラズマと言います。
非常に高い温度の中でプラズマをつくり、重水素の核融合反応を起こさせるとたくさんのエネルギーが生じます。

このエネルギーを平和的に利用しようと、研究がすすめられています。

原子力の平和利用

原子炉をつくる目的は、2つあります。

その1つは、熱を利用して、発電所のタービンや船の動力に使うことでもう1つは中性子を利用し、人工放射性元素をつくりだすことです。

発電所や船では、原子炉でえられた高熱で蒸気をつくり、その蒸気で、タービンをまわします。

発電所のタービンは、発電機につながってしますからここで電気を起こすことができるわけです。

いっぽう、中性子の利用として原子炉でつくられた人工放射性元素は農業・工業・医学・学術研究などに応用されています。

たとえば、農業の面では、植物の種子を放射線でてらし突然変異を起こさせ、品種を改良するのに応用されています。

工業の面では、金属、たとえば歯車などの減り具合を調べたりまたダムの水もれなどを調べるのに利用されています。

医学の方では、がんの治療などに、さかんに利用されています。

原子核の人工破壊

鉛より原子番号の小さい原子を壊してほかの原子にかえることはできないだろうか、ということが20世紀のはじめころから考えられていました。

原子核を壊すには、強い弾丸の役目をするものが必要です。
イギリスのラザフォードは1919年にラジウムからでるアルファ線を弾丸に使って窒素原子を壊すことに成功しました。

つぎに、考えられたのは、アルファ線のような自然の弾丸ではなく、人間がつくった弾丸で安定した原子核を壊すことでした。

たとえば、水素ガスを蛍光灯のように電気で光らせると電子のとれた裸の原子になります。

これは、陽子で水素イオンとも言います。
これに、何十万ボルトと言う電圧をかけて真空中を走らせ原子核を壊すための弾丸を使うのです。

この方法で、イギリスのコッククロフトとウォルトンが1932年にリチウムの原子核を壊すことに成功しました。

その後、いろいろのイオン加速装置が工夫され現在では、すべての安定した原子核を壊したり放射性にすることができるようになりました。

中性子と人工放射性元素

水素イオンが、まとになる原子核に近づくと、原子核の陽電気力が反発するのでよほどの高速度でないと中に突入して、これを壊すことはできません。

ところが、中性子は電気をもたないのでどんなに遅くても原子核の中へ入りこみ、これを壊したり、放射性にしたりします。

このような方法で、放射性になった元素を、人工放射性元素と言います。

減速材

中性子が、原子核に入ってはたらくとき遅い中性子ほど原子核と作用する時間が長いので、効果が上がるのです。

そこで中性子を水素原子や炭素原子と衝突させて、速さを遅くします。
このような材料を、減速材と言います。

原子核を壊す弾丸に中性子を使うことをはじめて考えたのはイタリアのマエルミという学者です。

フェルミは中世子をぶつけると、ほとんどすべての安定な原子が壊れるか放射性をもつようになることを発見しました。

この研究は、1934年から、その翌年にかけてのことです。

原子核の分裂

鉛より原子番号の小さい、安定した元素の原子でなく安定な自然放射性元素の原子に中性子を打ちこんだらどうなるかということを研究したのは、ドイツのハーンとシュトラックスマンというふたりの学者でした。

この研究で、たとえば、ウランに中性子を打ち込むとウランがほとんどまっぷたつに裂ける、ということを1938年に研究しました。

これを核分裂と言います。

原子力

中性子が突入して原子核が分裂するときには質量がエネルギーに変化して、非常に多くのエネルギーを出します。

このエネルギーを原子力、または、原子エネルギーと言います。

この原子エネルギーは、石油や石炭などを燃やしたときにでるエネルギー（熱エネルギー）とは、全くその発生の原因が違うばかりでなくその大きさは、何億倍というほど違います。

連鎖反応

紙などに火をつけると、その一部が燃えて、熱を出しこの熱で、つぎの部分が発火点に達し、つぎつぎと燃え広がっていきます。

ウラン235の原子核の分裂は1回の核分裂で、2個から3個の中性子が飛びだしこれが、つぎのウラン原子核に飛び込んで分裂を起こすことになるのです。

すると、また、2～3個の中性子が飛出してつぎのウラン原子核を分裂させるというように、つぎつぎと分裂が続きます。

これを連鎖反応と言います。

濃縮ウラン

天然のウランには質量数が238、235の2つの同位元素が140対1の割合でまじっています。

ウラン238は、分裂を起こさないばかりかウラン235の分裂でできた中性子をとらえて、連鎖反応をさまたげます。

そこで、このウラン238をできるだけ少なくしウラン235をできるだけ多くする必要があります。

これには、いろいろな装置が工夫されています。
こうして、天然のウランから、ウラン235の割合の多いウランをつくることを濃縮と言い、そのウランを濃縮ウランと言います。

核融合

重水素を何千万度という高い温度にすると2つの重水素核がむすびついて、ヘリウム原子核になります。

この反応でも非常にたくさんの原子力が放出されます。
これを核融合とか・熱核反応と言います。

原子の組み立て

地球上のあらゆる物質は、水素・酸素・炭素などのようないろいろな元素がむすびついてできたものです。
これらの元素には、その元素固有の原子があります。

そして、すべての原子は、中心に1つの重い原子核がありそのまわりをいくつかの軽い電子が、ぐるぐるとまわっている仕掛けになっています。

原子の直径の大きさは、約1億分の1センチぐらいですが電子や原子核の大きさは、原子の大きさの1万分の1ぐらいの大きさです。

たとえば、直径が10メートルの球を1つの原子とすると原子核や電子の大きさは、直径が1ミリくらいの小さな粒にあたります。

原子の中は隙間だらけで、ほとんど空っぽだといってもよいほどです。

原子核は＋（正）の電気をもち電子は－（負）の電気をもっているので互いに引きあっています。

電子が、この引力で、原子核に引き寄せられないのは、電子が原子核のまわりをぐるぐるとまわっていて、引力と遠心力とが、うまくつりあっているからです。

原子の組み立ては、太陽系によく似ています。

太陽系では、万有引力、すなわち、物体と物体との間の引力で太陽が、水星や地球などの惑星をひいていますが原子核が電子をひく力は、＋と－の電気のあいだの引力であるという点が違っています。

水素や酸素など、いろいろな元素の原子が違うのは外をまわっている電子の数と原子核のしくみが、それぞれ違うからです。

原子核の組み立て

原子核のうちで、水素の原子核が、いちばんかんたんでこれを、とくに陽子（プロトン）と言います。

陽子は、電子と同じ量の、＋の電気をもっています。

また、この陽子とほとんど同じ質量をもっていて電気をもたない粒子を中性子（ニュートロン）と言います。

そして、原子核は、この陽子と中性子が集まってできています。

たとえば、水素には、質量数が、1と2と3の同位元素があります。
質量数2の水素は、重水素とよばれ、陽子と中性子が1つずつむすびついてできています。

また、質量数3の水素は三重水素とよばれ陽子1つと中性子2つとがむすびついています。

すべての原子は、原子番号だけの電子をもっています。

たとえば、水素原子は、原子番号が1だから電子を1個、ヘリウム原子は2個、ウラン原子は92個もっています。

ふつうの原子は、電気をもたないようになっているので原子核の中には原子番号と同じ数の陽子があって電子の－の電気を中和していると考えられます。

たとえば、質量数が238のウラン原子は原子番号が92ですから238-92＝146となり、146個の中性子をもっています。

ですから、質量数が、238のウラン原子は中心に92個の陽子と146個の中性子とが集まった原子核があってそのまわりを92個の電子が、いろいろの軌道を描いてまわっていることになります。

原子核のまわりを、ぐるぐるまわっている電子はそのエネルギーの一部を、電磁波として、放出することがあります。

これが光やＸ線です。

自然放射能

水素と酸素が化合すると水になり、水を電気分解すると、また、水素と酸素になります。
しかし、原子核は、少しも変化しません。

ですから、むかしは原子は、永久に壊れないものだと考えられていました。

ところが、1896年にフランスのベクレルという学者がウランから正体のわからない放射線が、自然に出ていることを発見しました。

これを自然放射能と言います。

この現象は、有名なフランスのキュリー夫妻、その他の学者によって研究されこの放射線には、アルファ（α）線・ベータ（β）線・ガンマ（γ）線の3種類があることがわかりました。

原子核がアルファ線やベータ線を出すと、ほかの元素の原子になります。
放射線を自然に出す元素は、自然放射性元素とよばれています。

ジェットエンジンのしくみ

プロペラ式の飛行機では、プロペラをまわすと速い速度でうしろに流れる空気の流れができます。

この空気の流れの反動で、進行方向に、プロペラは推力を受けます。
この力が、飛行機をまえに進ませるのです。

しかし、ジェットエンジンには、進行方向に開いた口から空気を吸い入れて圧縮し、この空気の中に燃料を噴射して、燃やすしくみがあります。

そして、できた燃焼ガスを高速度で後方にふきだして、その反動で推力を起こすのです。

イギリスのホイットルは、イカが口から出す水の流れの反動で泳ぐのを見てジェットエンジンのしくみを考えついたといわれます。

ふつうのガスタービンでは燃焼ガスのエネルギーはできるだけたくさん、タービンの回転力にかえるのがよいのです。

けれども、ジェットエンジンでは、タービンの回転力は小さくて構いません。
ただ圧縮機をまわすだけでよいのです。

ガスの勢いをほとんどそのまま残し、後方に非常な速さでふきださせるのです。
その流れの反動で、大きな推力が発生し、エンジン全体を前方に押し進めます。

圧縮機は、軸流式が多く、なかには遠心式もあります。
燃料は、ガソリンと灯油をまぜたものです。

大馬力のガソリン機関のような高級ガソリンは使いませんがまだ燃料のくわれ方が多いのが欠点です。

ジェットエンジンは、ガソリン機関にくらべて、しくみがかんたんで目方もかるく、ガソリン機関では到底出せないような大推力がえられます。

そのため、音の速さに近いか、またはそれ以上の速さで飛ぶ飛行機にはなくてはならないものになっています。

また、ジェット飛行機より速力は遅いが飛ぶ距離をはるかに長くする必要のある飛行機にはプロペラをつけたジェットエンジンが用いられます。

この場合のガスタービンでは圧縮機ばかりでなくプロペラもまわすしくみになっています。
そのために、ふきだす燃焼ガスの速さは、ずっと弱くなります。

しかし、このジェツトガスの推力とプロペラの空気流の推力の合計が飛行機にはたらくことになります。

ロケットのしくみ

ジェットエンジンは、空気を取り入れて圧縮し、その中に燃料を噴射して高温・高圧のガスをつくり、これをうしろに勢いよくふきだすしくみです。

このように、空気を使って燃料を燃やすのですから空気のあるところでしか、はたらきません。

これにくらべて、ロケットは燃料を燃やす酸素のもとを、自分で持って飛ぶのです。
ですから、真空に近いうすい空気の中でもはたらきます。

このジェツトガスをつくりだす原料を、推進剤と言います。
古くから使われていたロケットの推進剤は、ごく遅く燃えるように工夫された火薬です。

いまでは、ロケット用としてよい性質をもっている火薬や薬剤が研究され実際に用いられています。

このような薬剤は、ふつう円体なのでこれを使うロケットを、固体ロケットと言います。

液体の推進剤を使うロケットが、液体口ケットです。

液体ロケットの一例をあげると図のように、エチルアルコールと液体酸素とを別々の入れ物に入れておきます。

そして、これをポンプで必要な分量だけ、連続して燃焼室にふきださせます。

ここで点火されて燃焼し、高温度で鳥圧力の燃焼ガスができます。
このガスが、ノズルから外界へものすごい速さでふきだします。

このガスの反動で、大きな推力がでるのです。
ガスのふきだす口は、やはりノズルと言います。

固体ロケットは、短い時間しか燃料がもたないので長い距離は飛べませんが、しくみがかんたんなのでよく使われます。

たとえばロケット弾や離昇補助ロケットなどに利用されます。

排気タービン

機関の膨張行程が終わっても、シリンダの中の燃焼ガスは400度～600度で、3気圧くらいの圧力を持っています。

そこで、このガスを、直に大気中に捨ててしまわずに一段式につくられた、タービンの羽根車をまわすのに使うことができます。

これが、排気タービンです。

このタービンに、遠心送風機を直接つないだものを、過給機とよびます。
これは、たくさんの空気をかるく圧縮して、シリンダに押しこむことができます。

そのため、いっそう燃料をよく燃やすことができ、過給機をとりつけた機関は外したときの機関の馬力の1.5倍から1.8倍の力を出すことができます。

高速ディーゼル機関

バスやトラックや耕運機、土木建設用機械、鉄道用の機関車や客車などには高速回転のディーゼル機関が使われます。

高速ディーゼル機関は目方がかるく、多くは水冷四行程式ですが二行程式もあります。

四行程式では、たて型で直列4シリンダ・6シリンダのもの、V型12シリンダ、横型で直列8シリンダのものなどがあります。

また、空冷1～2シリンダの小型の耕運機用もあります。
燃料は軽油で、重油は使いません。

鉄道車両で、ディーゼル機関をつけたのはディーゼル機関車とディーゼルカーです。
ディーゼルカーは、客車の床下に、200馬力くらいの機関をとりつけたものです。
また、ディーゼル機関車は、1000馬力くらいの機関2台を車台に積んだものや
500馬力くらいを2台積んだものなどがあります。

ガスタービン

ガスタービンは、燃焼ガスのエネルギーを利用したタービンです。

燃焼器で灯油を燃やし、3～5気圧くらいで、700～900度の燃焼ガスをつくりそれをノズルを通して、タービンのはねにはたらかせて動力を起こします。

ガソリン機関は燃焼ガスの圧力でピストンを動かしましたがここでは蒸気タービンの場合と同じように、タービン羽根車を使うのです。

空気は、軸流式圧縮機で圧縮されて、燃焼器に入ります。
ここで燃料がふきだされて燃え、温度の高い燃焼ガスになります。

圧力は圧縮機をでたところと同じですが高温度のために体積がずっと大きくなります。

また、ノズルと羽根は多くは反動式につくられているので反動タービンといってもよいわけです。

圧縮機をまわすのは、タービンの羽根車でつくられた動力の一部です。
圧縮機を動かすのに、動力を使いすぎると、取り出して利用できる動力が減ります。

それで、ガスタービンでは圧縮機にくわれる動力をなるべく小さくすることが大切です。

圧縮機には、反動蒸気タービンを逆にまわしたようなしくみの軸流式と遠心式圧縮機があります。

しかし、軸流式圧縮機のほうが効率がよいので特別小型のもの以外は軸流式を使います。

燃焼器は、内外二重の筒になっていて空気は内側の筒の外を冷やして、内部に入ります。

すると燃料ポンプで、灯油が内側の筒の内部に噴射されこれに火がつけられて燃えます。

発生する熱のために、燃焼ガスは高温度の大きな体積になり、羽根軍のほうに流れていきます。

ガスタービンの羽根車の羽根の切り口はへの字のような形をしていて羽根のあいだをガスが通るときの反動で車がまわるようになっています。

この羽根は、1000度もある高温の燃焼ガスの中におかれるうえに強い遠心力を受けるので、高温に強い合金が使われています。

燃料は、灯油が使われます。
そのほか、溶鉱炉から出るガスや原油を分留するときにでるいらないガスを利用した、ガスタービンもできています。
これは、実際に製鉄工場や石油工場におかれ、発電用に使われています。

ガスタービンは、ほかの往復動式の内燃機関にくらべて形が小さいわりに、大きな馬力を出せることが特長で振動も非常に少ないのです。

ディーゼル機関のしくみとはたらき

ディーゼル機関には、気化器がありません。
空気だけを吸いこみ、圧縮行程で空気だけを、30～40気圧に圧縮します。

これは、ガソリン機関よりも、はるかに圧縮の程度が高いので押し縮められた空気の温度はずっと高くなり、600度くらいになります。

この圧縮空気の中に燃料を細かい粒にして吹き込むと燃料は空気の高熱で自然に火がつき、燃え広がっていっそう高湿度・高圧力になります。

このために電気点火のしくみはいりません。

ディーゼル機関の燃料にはガソリンよりはるかに揮発性の少ない軽油や重油が用いられます。

燃料噴射

燃料をふきこむことを燃料噴射と言い、噴射ポンプ・噴射管および噴射弁を使います。

このうち噴射ポンプは燃料を圧縮するしくみでその圧力は、250～500気圧にもなります。

この高圧の燃料を、丈夫な噴射管の中を通して、噴射弁に送ります。

そして噴射弁にある、3～8個の小さい穴からシリンダの圧縮空気の中に、ふきださせます。

燃料のふきでる速さは、たいへん速いのでちぎれて細かい粒となり、速く燃えるのに都合よくなります。

ディーゼル機関はドイツ人のルドルフ・ディーゼルが今世紀のはじめころに発明した機関です。

その後、たいへんに進歩したので現在では、熱効率は40パーセントを越しています。

ディーゼル機関のいろいろ

ディーゼル機関は、大きな船から小さい船までいろいろな種類の船のプロペラをまわす動力として用いられています。

また、船の中で発電したり、ほかの機械類をまわすのにも使われます。
これには、値段の安い重油を使うので、運転の費用が安くつきます。

重油はガソリンにくらべて引火点が高いので火がつく危険が少ないことも都合のよい点です。

大型船の大馬力のディーゼル機関は、全部水冷二行程式です。
シリンダは、直列四シリンダから直列九シリンダのならべ方があります。

現在、もっとも大馬力のものは、シリンダの直径が86センチ、ピストンの動く距離が1メートル60センチもあり直列9シリンダで約2万馬力をだします。

二行程式ディーゼル機関では、掃気ポンプで空気を押しこみます。

これには、ピストンを使ったポンプが多いのですが排気タービンを使った、遠心送風機も使われるようになりました。

100～200馬力の機関は遠洋漁業の船に用いられ、水冷四行程式につくられています。

ガソリン機関のしくみとはたらき

ガソリンを燃料にする内燃機関を、ガソリン機関と言います。

ガソリン機関は、四行程式につくられることが多く二行程式は、ごく小型の機関だけに用いられます。

ガソリン機関では空気は吸気管・吸気弁を通って、シリンダに吸い込まれます。

吸気管には気化器があり、ここでガソリンは細かい霧になります。
そして空気とまじって混合ガスとなり、シリンダに吸いこまれるのです。

気化器

図にしめしてあるのが、気化器です。この気化器で、ガソリンは気体になります。

空気が、せまくなった通路を通ると流れが速くなるかわりに、そこの圧力が大気圧より下がります。
そのため、フロート室からガソリンが吸いだされ、空気の流れにまざります。

フロート室の中にはフロートがあり、ガソリンの面が高くなれば浮き上がって燃料管からガソリンが入るのを止めガソリンの面が下がれば、沈んでガソリンを入れます。

このようにして、フロート室のガソリンの面々、いつでも同じ高さに保ちます。

点火プラグ

圧縮された混合ガスに火をつけるには電気火花を使います。
点火プラグの電極は、シリンダの中にかおを出してします。
この電極のあいだに、数千ボルト以上の高い電圧をかけると電気火花が飛びます。

電圧か上げるしくみは、まき数の多いコイルと少ないコイルを重ねた誘導コイル（感応コイル）です。

まき数の少ないコイルに、短い時間電流を通し、急に電流を切るとその瞬間に、もう一方のコイルに、ごく短い時間だけ、高い電圧の電流が流れるのです。

これには、蓄電池を使うものとマグネト（高圧磁石発電機）を使うものの2つがあります。

たくさんのシリンダを使ったガソリン機関ではいくつものシリンダで、つぎつぎと点火しなければなりません。
そのため、配電器があり、これでいくつかのシリンダのプラグに順序よく電気を通して、点火していきます。

シリンダの数

ガソリン機関を、自動車や船に使ったり発電機をまわすのに用いるときはふつう何個かのシリンダをもった機関を使います。

これは、1個のシリソダで出すことのできる馬力には、かぎりがあるからです。
また、シリンダの数を適当に多くすると振動が少なくなるのです。

シリンダは気筒とも言います。
シリンダが4つある機関を4シリンダ、または四気筒機関、6つあれば六シリンダ、または六気筒機関と言います。

空冷式と水冷式

シリンダは適当に冷やさないと中のピストンの温度が高くなりすぎて壊れる心配があります。
続けて運転することもできなくなるので、水や空気を使って冷やします。

この場合、シリンダを二重の壁にして、水を通すのを水冷式、シリンダの外側にたくさんのひれを出し、空気に触れる面積を増やして空気を送って冷やすしくみを、空冷式と言います。

ガソリン機関のいろいろ

自動車用のガソリン機関には水冷式四行程式が多いのですがなかには空冷式もあります。

ふつうに見られるような小型の自動車にはシリンダ4個を1列にならべた直列4シリンダが多く、それ以上の大型になると直列6シリンダや直列8シリンダが使われています。

また、V形と言って直列シリンダを二組み、前から見てＶ字形にしたものがあります。

大型の乗用車には、直列4シリンダ2組みをV形にしたＶ８機関とか直列6シリンダ2組みをV形にした、V12シリンダ機関も用いられています。

飛行機用のガソリン機関も、第二次世界大戦までは、さかんに使われました。
しかし、ジェットエンジンができてからは、性能がよいのでいまでは、ジェットエンジンのほうが多くなりました。

けれども、小型や中型の飛行機とかヘリコプターには星型ガソリン機関も使われています。

これは、空冷四行程式で、シリンダを放射状に7個または9個星形にならべたものです。
また、これを2組み重ねて二重星型14シリンダや、18シリンダにしたものがあります。

飛行機が高い空にのぼると、空気がうすくなるので、エンジンの力が弱まります。
これをふせぐために、エンジンの力の一部でまわす遠心送風機で空気を圧縮しシリンダに送りこんでやります。

オートバイや、自動三輪車用のガソリン機関はずっとしくみがかんたんで、バイクモーターとよばれています。

これは、シリンダが1または2個で空冷二行程式が多く使われています。

ガスの力

燃料を燃やしたときにできる燃焼ガスは、はじめから空気中にあった窒素や
燃焼によってできた二酸化炭素や水蒸気からなっています。

燃焼ガスで水を熱して蒸気をつくり、蒸気機関やタービンを動かすことができます。
しかし、この高い温度の気体のもつエネルギーを直接動力にかえることもできるのです。

内燃機関の仕組み

燃料を、機械の中のせまい室で燃やしてできる燃焼ガスは高い温度と高い圧力になります。
そのエネルギーから、直接に動力をつくりだすのが、内燃機関です。

まず、ガスの力をためす実験からやってみましょう。

実験

まえに使ったドロップの缶の中に、ガソリンを2滴たらして、かるくふたをします。
そして、底を少しあたためます。

缶の底を指でさわって、あたたかいなと思うくらいの温度にしておきます。
このとき、缶の中では、ガソリンが蒸気になって、空気と混じりあっています。

そこで、上の図のようにふたをあけ、火のついたマッチ棒を投げこむと音を立てて炎がふきだします。

こんどは、缶の底に近いところに、直径2ミリくらいの穴をおけてみましょう。
ガソリンを2滴、上の口から落としほんの少しあたためてから口の上にふたを逆さまにおきます。

つぎに、下の穴に火のついたマッチ棒の炎を近づけると缶の中のガスに火がつき音を立てて炎がふきだし、ふたを吹き飛ばします。

これは、燃料と空気がまじったガスが、爆発のように燃え燃焼ガスができて、その圧力がふたを飛ばしたりです。
このとき、ふたをねじこむと危ないので、注意しなければなりません。

燃料と空気がまじったガスを、混合ガスと言います。

ピストンを押す燃焼ガス

図のようにピストンによってシリンダの中に閉じ込められた混合ガス（ガソリンの蒸気と空気のまじったもの）に火をつけると非常に速い燃え方をするので、高温度・高圧力ができます。

その様子が、爆発に似ているので、爆発とも言います。
この圧力でピストンを押します。

ピストンを押す力は、連接棒（コネクチングロッド）とクランクによって回転する力にかえられます。

ピストンを押し終わったガスは、くりかえして使うことはできません。
そこで、新しい混合ガスにかえて、同じことをくりかえします。
ガスを入れる方法の違いで、内燃機関は、四行程式と二行程式にわけられます。

ピストンがいちばん上にきた位置を上死点、ピストンがいちばん下にきた位置を、下死点と言います。

そして、ピストンが上死点から下死点へ、または、下死点から上死点へ動くことを、それぞれ一行程と言います。

四行程式

下の図にしめしたのが。四行程式の内燃機関です。
吸気・圧縮・膨張および排気の4つの行程を順におこなったのちもとの吸気の行程にかえるしくみです。

吸気行程のときは、ピストンが上死点から下死点に動きます。
そのとき、吸気弁が開いて、混合ガスをシリンダの中に吸い込みます。

ピストンが下死点にくると吸気弁が閉じて混合ガスはシリンダの中に閉じ込められ、つぎにピストンが上がって圧縮されます。

これが圧縮行程です。

この圧縮でガスの温度と圧力が高くなります。
圧縮行程のまわる少しまえに、ガスに火がつけられて爆発し燃焼ガスとなって温度と圧力がいっそう高まり、その圧力でピストンを押し下げます。

このピストンを押し下げる力が、動力のもとです。
ピストンが下がると、ガスの体積が増え（膨張する）温度と圧力が下がって、下死点にきます。

これが、膨張行程です。

つぎの排気行程には、排気弁が開いて、燃焼ガスが大気中に押し出されます。

二行程式

二行程式は、クランク1回転ごとに同じことがくりかえされ四行程式の吸気・排気行程にあたるはたらきを下死点の近くで同時にすまさせてしまいます。

ピストンがシリンダの中のガスを圧縮しながら上死点にくると点火が起こり爆発して、ガスの温度と圧力が高くなり、ピストンを押し下げます。

ピストンが下がって、下死点に近づくころ排気の穴が開いて燃焼ガスの吐き出しがはじまります。

そしてシリンダの中の圧力が充分に下がったころ掃気穴が開いて、新しい混合ガスが入ってきます。

混合ガスは、はじめクランク室に吸い込まれピストンが下がるときに、かるく圧縮されます。

つぎに、シリンダの中に入って燃焼ガスを排気穴から押し出します。
下死点をすぎてまもなく、掃気と排気の穴が閉まりピストンの上向き運動によって、圧縮がおこなわれます。

圧縮が終われば、また火をつけて爆発させます。

蒸気タービン

ポンプに往復式と回転式があったように蒸気を用いる機関にも、往復式と回転式があります。

いままで述べたものはシリンダの中で、ピストンが往復する往復式の機関です。

ふつう、これを蒸気機関と言っています。
また、回転式のものは蒸気タービンと呼びます。

蒸気タービンは、ボイラから送られる蒸気を羽根のついた車にふきつけてまわすものです。

これは、風をふきつけてまわす風車や水をあててまわす水車と、まわす原理は似ています。

実験

まえの実験で使ったドロップの缶をもとにして、羽根車をまわしてみましょう。
まず、コルクの栓に穴を開けて、ガラス管を通します。

つぎに、缶に水を入れ、火で熱すると水は沸騰し、蒸気が勢いよく噴き出してきます。
べつに、コルクに軸を通し、まわりにＧペンを何本もさして、羽根車をつくります。

出てきた蒸気を、Ｇペンの羽根車にあてると車は非常な速さでまわります。
これが、蒸気タービンの原理です。

ガラス管のふきだし口の直径が大きいものや、小さいものをつくっておいてつけかえてみると、さらにおもしろい観察ができるでしょう。

ノズル

蒸気の噴き出す口の部分がノズルです。
ノズルの大きさが適当でないとタービンはよくまわりません。

たとえば、口で風車を吹く場合にも、口をつぼめます。
これは、口を大きくあけたままでは、風車がよくまわらないからです。

また、あまり口をつぼめすぎてもかえって吹くのに力がいるばかりで、よくまわりません。

タービンの場合でも、羽根車にちょうど適当なノズルの大きさがあります。
また、その形も、吹き出したときに、勢いが強くなるように考えられています。

タービンのノズルには、2種類あります。
切り口が先のほうほど小さくなっているものを、先細ノズルと言います。

また、入り口から少し入ったところがいちばん細く吹き出す口が広がっているものを末広ノズルと言います。

ボイラでできた高い圧力の蒸気は、ノズルを通るとき圧力と温度が下がります。
そのかわり、蒸気は、非常に速い速さになります。
圧力や熱の形になっていたエネルギーが、ここで運動のエネルギーにかわるのです。

実際のタービンではボイラからの蒸気は1秒間に30メートル以下の速さで、ノズルに入ります。
そして1秒間400～500メートルくらいの速さでノズルの出口から吹き出します。
これは、音よりも速い速さです。

タービンのはね車

このように速い速度の蒸気を吹き付けて、非常な速さでまわすのですからタービンの羽根車は、丈夫につくられています。
また、蒸気の力を、無駄なく回転力にかえるように、形が工夫されています。

羽根の切り口は、三日月のような形をしていて、くぼんだ側に蒸気がぶつかります。
羽根車は、この力でまわされるのです。

このようなしくみのものを、衝動タービンと言います。

このうち、羽根車が1つのタービンを単式衝動タービンと言い1分間に6000回から8000回まわり、200馬力くらいのものがつくられています。

これにたいして、羽根車を多く用いるものを、多段式衝動タービンと言います。
これは、発電所用などに、大きな馬力のものがつくられています。

多段式では、羽根車のあいだに、ノズルになる蒸気の通り道があります。

蒸気は、ノズルの通るごとに圧力が減って、最後の羽根車かでたのちには復水器の圧力まで下がって復水器に入ります。

このようにすれば、蒸気のもっているエネルギーを充分に取り出して羽根車の回転にかえることができます。
また、回転の速さも、あまり速すぎないものがつくれます。

このようなタービンは火力発電所で発電機をまわすためや船のスクリューをまわすために多く使われています。

反動タービン

衝動タービンのほかにも、少し違ったしくみで動く蒸気タービンがあります。

これは、蒸気が勢いよくぶつかる力ではなく蒸気が羽根のあいだを流れるときにできる力を利用して、羽根車をまわすのです。

このとき、蒸気は圧力が減って速くなって出ていくのでその反動で、羽根がけるようにまわされるのです。

このしくみでは、羽根を何列にもならべ、羽根の列と列のあいだに蒸気の流れる方向をかえる、案内ばねがおかれています。

そして、これは外側のケーシング（車室）に固定されています。
まわるほうのばねも案内ばねも切り口は、への宇のような形をしています。

このようなタービンを反動タービンと言います。
衝動タービンにくらべて、かなり低い回転につくれるので船のスクリューをまわすのに都合がよいのです。

それで、船に多く使われています。

反動タービンは、圧力があまり高い蒸気を使うのは、よくありません。
それで、はじめに、衝動タービンを使い、そこで圧力の下がった蒸気をこのタービンに通すようにしたものもあります。

蒸気タービンには高い温度と強い力を受けてもびくともしない金属が用いられています。

近頃では、このような金属がたいへん進歩したのでタービンにも、ますます高温度・高圧力の過熱蒸気が用いられるようになりました。

現在、火力発電所などでは556℃で169気圧の過熱蒸気を用いる大動力のタービンが使われています。

また、アメリカでは、650℃・350気圧のタービンまであらわれています。
そして、熱効率も40パーセントを越えるものもできています。

そのほか、非常に小さいタービンには蒸気機関車のボイラの上におかれて発電機をまわし、ヘッドライト用の電気を起こすものもあります。