基礎的知識(機械)

基礎的知識(機械)の試験について、その難易度は「高等学校卒業程度」とされています。しかし、高校時代にサボってしまった人や根っからの文系な方はつまづく可能性もありますから余念なく学習していきましょう。

強欲な青木

この基礎的知識の分野って合計で何問出題されて、何問正解すればエエんやったっけ？

甲種だと計10問ですが、乙種だと計５問しかないので取りこぼし無い様に注意せねばなりません！

管理人

◎ 力学

力の三要素

「力」の単位であるニュートン(N)は、以下の３つの要素から成ります。

力の三要素

力の大きさ‥どれくらい力が大きいか
力の向き‥どの方向に力が働いているか
力の作用点‥どこに力が加わっているか

質量１kgの物体に１m／s²の加速度を生じさせる力を１Nといいます。

強欲な青木

『あれ…ニュートン(N)って何だっけ？』ってなった時は、三要素からなる「力」のことだと思い出しましょう！

ほんで力の三要素って知っておくと案外『ここが作用点になっていて‥』みたいな感じで物事を考える時に役立ちます。

管理人

力の合成

働く力が一点に二つ以上ある時は、それらの力を合成して一つの力である「合力」として表すことができます。

合力の求め方

「力の平行四辺形の法則」‥物体にF₁・F₂の力が作用している時、これらF₁・F₂を２辺とする平行四辺形を描く対角線Fが合力となります。

合力　力の平行四辺形

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

下図について、物体に働く力F₁・F₂・F₃の合力として正しいものはどれか。

消防設備士　力学

(1) OB

(2) OC

(3) OD

(4) OE

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(2)

<解説>

まず、F₁とF₂の合力を力の平行四辺形の法則に基づいて求めるとOBになります。そのOBとF₃の合力を力の平行四辺形の法則に基づいて求めるとODになると導けます。

F₁・F₂が垂直である場合の合力は、三平方の定理( F₁² + F₂² ＝ F² )で求められます。

三平方の定理とは

三平方の定理は「直角三角形の斜辺の２乗は、他の辺の２条の和に等しい。」という法則です。

三平方の定理　消防設備士

角度が分かれば、比で値を求められます。

三平方の定理　直角三角形

参考中３数学「三平方の定理」で最も重要なポイントとは？

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

Oに働く力がF₁＝√６のとき、F₂との合力Fの大きさとして正しいものはどれか。

三平方の定理　消防設備士

(1) １

(2) √２

(3) ２

(4) ２√２

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(4)

<解説>

直角三角形の角度の一つが30°である為、各辺の長さにおける比がF₂：F：F₁＝１：２：√３になっていると分かる。

よってF：F₁ ＝ X ：√６=２：√３

√３X ＝２√６

X＝２√２

力のモーメント

回転軸を中心とした力F(N)と作用点までの距離L(m)の積をモーメントM(N・m)といいます。

力のモーメント　消防設備士

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

柄の長さ55cmのパイプレンチで丸棒の中心から50cmのところに10Nの力を加えた時のモーメントの値として正しいものは次のうちどれか。

(1) ５N・m

(2) 5.5N・m

(3) 10N・m

(4) 10.5N・m

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(1)

<解説>

M＝F×Lより、10(N) × 0.5(m)＝５N・m

※パイプレンチの柄の長さは無関係、cmをmに換算することに注意。

同じ向きの平行力の合成

直線状に２つ以上の平行力が働いている場合にも、力の合成ができます。

同じ向きの平行力の合成消防設備士

F₁とF₂の合力FはF₁+F₂であり、Oを支点として左回りのF₁×r₁と右回りのF₂×r₂が吊り合っている為、以下の式が成り立ちます。。

r₁＝(F₂÷F)r、r₂＝(F₁÷F)r

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

長さ50cmの棒ABのA端にF₁＝30N、B端にF₂＝70Nの力が働いた場合の合力Fの大きさ及び作用点の位置として正しいものは次のうちどれか。

平行力の合成消防設備士

(1) 合力の大きさF＝50N、作用点OとAの距離L₁＝35cm

(2) 合力の大きさF＝50N、作用点OとAの距離L₁＝40cm

(3) 合力の大きさF＝100N、作用点OとAの距離L₁＝35cm

(4) 合力の大きさF＝100N、作用点OとAの距離L₁＝40cm

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(3)

<解説>

F＝F₁+F₂より30+70＝100N

作用点OとAの距離L₁はL₁＝(F₂÷F)×Lより

L₁＝(70÷100)×50＝35cm

仕事

ある物体にFという力が作用し、それによってsだけ移動した時「Fは物体に仕事(W)をした」といいます。

仕事量の式

W(仕事量)＝ F(力の大きさ)×s(移動距離)

力の単位Nと距離の単位mより仕事量の単位はN・mとなりますが、一般的にJ(ジュール)を用います。

１J＝１N・mであり、よって１Nの力で物体を１m動かした時の仕事量が１Jとなります。

滑車

滑車の原理を使うと、重い物を動かす際に便利な場面があります。

動滑車と定滑車

定滑車

固定された滑車で、ロープを引くと物体が上向きに移動するものです。

定滑車では力の大きさは同じで、引いたロープの長さ分だけ物体が移動します。

動滑車

動滑車はロープを引くと物体と共に移動するもので、仕事量自体は直接引き上げた時と同じになっています。

加える力の大きさは動滑車１つにつき物体の重さが1/2になりますが、ロープを引く長さが物体の移動距離の２倍になります。

動滑車の公式

動滑車がn個ある場合、以下の式が成り立ちます。

動滑車公式消防設備士

W：物体の重さ(N)、F：引っ張る力

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

図に示す滑車で800Nの力を受けている物体Xを吊り上げた。この時Fに要する力として正しいものは次のうちどれか。
ただし滑車とロープの自重は考えないものとする。

滑車　物体X

(1) 50N

(2) 100N

(3) 150N

(4) 200N

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(2)

<解説>

図より、動滑車が３つあるのでF＝W/2＾nの式に代入すると

F＝800÷2＾3＝100N

動力(仕事率)

単位時間(１秒間)あたりにする仕事の量を動力あるいは仕事率といいます。

動力(仕事率)の公式

動力(仕事率)：P、仕事量：Q、要した時間：tとすると以下の公式が成り立ちます。

動力(仕事率)公式

１秒間あたりに１N・m(１J)の仕事をする動力(仕事率)を１W(ワット)といいます。

１Jの仕事に１秒かかったとき、仕事率は１Wということになります。

ちなみに、こんな過去問が出題されています。

100kgの物体を1分間で31mの高さまで上げるのに要する動力(仕事率)として、正しいものは次のうちどれか。ただし重力加速度を9.8m/s²とする。

(1) 100N

(2) 182.3W

(3) 506.3W

(4) 1896.7W

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(3)

<解説>

動力(仕事率)の公式は以下の通りです。

動力(仕事率)公式

動力(仕事率)：P
仕事量：Q
要した時間：t

ここで仕事量QがW(ワット)＝J/sでJN/m、１Nは質量１kgの物体に１m/s²の加速度を生じさせるため、以下の通り導けます。

(100kg×9.8m/s²×31m)÷60≒506.3W

はり

下図の、はり形状および名称について正しいものの組み合わせを一つ選んで答えよ。

⑴	ア、イ
⑵	イ、ウ
⑶	ア、ウ
⑷	イ、エ

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(4)

<解説>

はりの種類は、主に以下の５つです。

片持ちばり‥１端を固定し、他端は自由に突き出したはり
張出しばり‥支点の外側に荷重が加わっているはり
固定ばり‥両端を固定したはり
連続ばり‥３個以上の支点に支えられたはり
単純支持ばり(両端支持ばり)‥両端を各１個ずつの支点で支持したはり

応力－ひずみ曲線

鋼材の引張試験で得られた下図の応力－ひずみ曲線について、次の記述のうち誤っているものを一つ選んで答えよ。

(1) 点Aまでを比例限度といい、比例限度内では応力がひずみに比例する。

(2) 点Bまでを弾性限度といい、弾性限度内では荷重を取り除けば伸びが戻る。

(3) 点C～Dを降伏点といい、降伏点では応力を増加せずとも、ひずみが急増する。

(4) 点Eを極限強さといい、点Fを引張強さという。

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(4)

<解説>

点Eの極限強さが引張強さであり、点Fは破断点である。

「応力-ひずみ曲線」‥鋼材の引張試験において、部材が破断するまでの応力とひずみの関係を表したもの。

弾性域では荷重を取り除くと元の形状に戻るが、塑性域に達すると荷重を除去しても変形したまま完全には戻らなくなる。

許容応力と安全率

金属材料の安全率を計算する公式として、次のうち正しいものはどれ？

(1) 安全率＝引張強さ + 許容応力

(2) 安全率＝引張強さ - 許容応力

(3) 安全率＝引張強さ × 許容応力

(4) 安全率＝引張強さ ÷ 許容応力

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(4)

<解説>

「安全率」とは‥材料の「引張強さ」と「許容応力」の比であり、「引張強さ」÷「許容応力」で求められる。

◎ 機械材料

金属の性質

金属材料の一般的性質に関する次の記述のうち、誤っているものはどれ？

(1) 最も比重の大きい金属材料は白金である。

(2) 最も比重の小さい金属材料はマグネシウムである。

(3) 最も電気・熱の伝導性が高い金属材料は銅である。

(4) 最も温度変化に対する膨張率が大きい金属材料は鉛である。

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(3)

<解説>

最も電気・熱の伝導性が高い金属材料は銀です。

合金

合金に関する次の記述のうち、誤っているものはどれ？

(1) ステンレス鋼は、鉄と炭素とクロムとニッケルの合金である。

(2) 黄銅は、銅と鉛の合金である。

(3) 青銅は、銅とすずの合金である。

(4) ジュラルミンは、アルミニウムと銅とマグネシウムとマンガンの合金である。

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(2)

<解説>

黄銅は、銅と “亜鉛” の合金です。※真鍮とも呼ばれる。

亜鉛(Zn)‥鉛製造工業の副産物として得られていた亜鉛の表面は平滑ではなく、櫛の歯 (Zinken) のような筋状になっていたので、Zinkと呼ばれるようになった。
鉛(Pb)‥元素記号はラテン語での名称 plumbum に由来する。

ステンレス鋼に関する次の記述について、空欄に当てはまる文言の組み合わせとして正しいものはどれ？

「ステンレス鋼は、鉄に一定量以上の(　ア　)を含ませた、腐食に対する耐性を持つ合金鋼である。その中でも18％の(　ア　)と8％の(　イ　)が含まれた18-8ステンレス鋼は、広く使われている鋼種である。」

	(ア)	(イ)
⑴	炭素	マンガン
⑵	炭素	ニッケル
⑶	クロム	ニッケル
⑷	クロム	マンガン

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(3)

<解説>

ステンレス鋼は、鉄に一定量以上のクロムを含ませた、腐食に対する耐性を持つ合金鋼である。その中でも18％のクロムと8％のニッケルが含まれた18-8ステンレス鋼は、広く使われている鋼種である。単にステンレスとも呼ばれ、規格などでは、クロム含有量が 10.5 %(質量パーセント濃度)以上、炭素含有量が 1.2 % 以下の鋼と定義される。

熱処理

金属の熱処理に関する次の記述について、正しいものはどれ？

(1) 焼入れ：高温に加熱した後、油または水中で急冷し、硬度を高める。

(2) 焼戻し：高温で一定時間保ってから徐々に冷却し、組織を安定化させ、軟化させる。

(3) 焼なまし：焼入れ温度まで加熱後、空気中で徐々に冷却し、組織を均一にして、ひずみを除去する。

(4) 焼ならし：焼入れした鋼を焼入れ温度より低い温度で再加熱し、徐々に冷却し、粘り強さを高める。

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(1)

<解説>

	熱処理の方法	熱処理の目的
焼入れ	高温に加熱した後、油または水中で急冷する。	硬度を高める。(硬くなるが、もろくなる。)
焼戻し	焼入れした鋼を焼入れ温度より低い温度で再加熱し、徐々に冷却する。	粘り強さを高める。(硬さを落とさず、もろさを緩和する。)
焼なまし	高温で一定時間保ってから徐々に冷却する。	組織を安定化させ、軟化させる。
焼ならし	焼入れ温度まで加熱後、空気中で徐々に冷却する。	組織を均一にして、ひずみを除去する。(焼なましの一種。)