2005-03-31[n年前へ]
■「ふぅぅー」は冷たく「はぁぁ〜」が暖かいホントの理由 前編 
「ふぅぅー」と「はぁぁ〜」の温度(≠体感)差は2.5℃。だけど…
先日、「笑っていいとも」を眺めていると、とても私の興味を惹く話題を放送していた。それは、視聴者から番組に対して届けられた次のような質問から始まる話だった。
手が冷たいときに、よく「はぁぁ～」と息を吐いて手を暖めたりします。そんな風に息で手を温めることがある一方で、口を細めて「ふぅぅー」と息を吹いて、手を冷やしたりもします。例えば、掌に「はぁぁ～」と息を吐くと「息が暖かく感じる」のに、それとは逆に「ふぅぅー」と掌に息を吹くと今度は逆に「息が冷たく感じ」ます。どうして、息の吐き (吹き)方によって「同じ息の暖かさ」が違うのでしょうか？
その解説の概要をほぼそのまま書くと、
| | 「はぁぁ～」と息を吐いた場合よりも、「ふぅぅー」と息を吹いた場合の方が口の中における空気の圧力が高くなっている。口の中で圧縮された息は、唇から外へ出たとたんに圧力が下がる(体積が大きくなる)。 その際、「息の空気」と「外気」の間で熱の授受が行われない断熱過程で(体積が膨張し)圧力が低下することになるのだが、そのような場合には(フェーン現象のちょうど逆に)息として吐かれた空気の温度が下がってしまう。つまり、「ふぅぅー」と口を細めて吹かれた息は口の外に出た途端に温度が低くなる。 ところが、「はぁぁ～」と吐かれた息は「圧力変化がほとんどないまま」口から出るので、温度の変化がほとんどなく、体温に近い暖かい温度のままになっている。そのような違いにより、「ふぅぅー」は冷たく、「はぁぁ～」が暖かいのである。 |
というようなものだった。この解説に耳を傾けながら、私は『へぇぇ～、「ふぅぅー」と「はぁぁ～」で本当に息の温度が違うものなんだぁ。へぇぇ～、そうなんだぁ～』と納得つしつも、少しばかり不思議な気持ちになった。
確かに、「ふぅぅー」と「はぁぁ～」という「二つの異なるやり方」で自分の掌に息を吐いてみると、ずいぶんと息の温度が異なって感じる。「はぁぁ～」と息を吐くと息がとても暖かく感じるし、「ふぅぅー」と息を吹くと(さっきと同じ息なのに)息がとても冷く感じる。そして、この「二つの異なる息」の温かさは大きく異なっているように感じる。息が口から出る瞬間の圧力変化が原因で、「それほどの温度差」が生じるものなのだろうか？ もちろん、番組の中では特に数字を挙げた説明もされていなかったので(あくまでバラエティ番組の「笑っていいとも」なんだから)、息を「ふぅぅー」と吹く場合と「はぁぁ～」と吐く息の間で感じる温度差についてちょっと調べてみることにした。
まずは、息が口から出る瞬間の圧力変化量を推定するために、口の中における圧力がどの程度の大きさなのかを考えてみよう。息を吸うときには「胸腔内部の気圧が下がる」ことで空気を体内に取り入れる。そして、息を吐くときには「胸腔内部の気圧が上がる」ことで、肺から息が口から外へ排出されることになる。このような呼吸の過程において、口・唇から肺内部にわたる人間の体内においての(呼吸における空気の速度が非常に遅いことを考えれば)空気圧はほぼ一定と考えて良いだろう。つまり、口を境にして体外・体内で圧力が異なり、体内＝「口・肺内部」が高くなったり、低くなったりすることにより、呼吸が行われているわけである。そこで、唇を境として、「体内の気圧」と「体外の気圧(＝大気圧)」が異なっている、というモデルでとりあえず考えてみることにしよう。
そのような呼吸を行っている際に、「口・肺内部における空気圧」がどのような時間変化を示した一例が図.1である。実線で「通常の呼吸時の肺(口)内部の空気圧」時間変化を示し、破線で(ちょうど、「ふぅぅー」と息を吹く時のように)口を細めて軽く息を吹き出した場合の「口・肺内部における空気圧」時間変化を示している。通常の呼吸であれば、大気圧(101.3 kPa)を中心として、プラスマイナス 0.2 kPaの程度の範囲で上下しているし、口を細めて息を吹いたり吸ったりするような場合だと、プラスマイナス 2 kPaの範囲内で上下していることになる。
図.1 口・肺内部における空気圧の時間変化実線：通常の呼吸の場合破線：口をすぼめて呼吸した場合 
つまり、普通の呼吸では体内と体外の圧力の差は0.2%程度に過ぎないが、「ふぅぅー」と息を吹くような場合には、2%ほど体外と体内で圧力が異なることになる。
もちろん、もっとキアイとガッツで強く息を吹いたり吸ったりするのであれば、体外と体内の空気圧の差はこれより大きくなるに違いない。そうは言っても、「気道内での圧力が(大気圧との差として) 3.92kPa を超えると肺の損傷が起きる恐れがある」という話もあるくらいだから、体内での空気圧は根性を最大限込めて、血管がブチぎれるくらい力んでみても、せいぜい101 ± 3 kPa の範囲に収まるくらいだと考えておくのが、健康的には良いだろう。もし、本当にそれ以上根性を込めたとしたら、血管はともかく肺がブチ切れてしまうに違いない。
ということは、「ふぅぅー」と息を吹く時には、息は「体内で101 + 3 (kPa) = 104 (kPa)程度」の圧力から断熱過程で「大気圧相当の101.3 kPa」まで圧力が変化することになる。その圧力変化が一瞬で生じ、息と他のモノの間で熱の受け渡しが無かったとしたら、つまりは断熱過程のもとで圧力変化が生じた場合には、ポアッソン(Poisson)の式により、変化前後の気体の温度と圧力の間に、
- T p-(γ-1)/γ = 一定
- T: 空気の温度
- p: 空気の圧力
- γ: 空気の比熱比 (標準空気の比熱比 = 1.4)
そこで、息の(温度と圧力)が仮に体内で(32 ℃, 104kPa)だったものとして、息が口から外(圧力 = 大気圧 101.3 kPa)へ出たときに何度程度になっているかをポアッソンの式にもとづいて計算してみた。そして、その結果を簡単なグラフにしてみたものが図.2 である。なお、図.2では、○で示す「体内で(3 2℃, 10 4kPa)だった息」が、口から外に出た瞬間の温度を示している。ここでは、横軸が外気圧であり、縦軸が(その外気圧のもとでの)息の温度になっている。
図.2 体内で(32℃, 104kPa)の息は口から外(101.3kPa)へ出たときには、息は29.5℃になっている 
このグラフを眺めると、例えば外気圧が 101.3 kPa であれば、その外気圧のもとでの息の温度(×で示す) は、29. 5℃ほどであることがわかる。つまり、「ふぅぅー」と息を吹いた場合、体内で30 ℃ほどであった息が1.5 ℃ほど温度が低下して29.5 ℃程度になっている、ということになる。もちｒん、実際には体内での息の湿度は80%程度にはなっているだろうから、おそらく息の比熱比は1.4よりほんの少し小さいだろう。だから、実際には吹かれた息の温度はもう少し(といってもほんの少しだが)暖かいだろう。
いずれにせよ、このように、「ふぅぅー」と吹かれた息は口から外へ出たとたん、確かに2 ℃強ほど温度が低下するわけだが、「はぁぁ～」と息を吐く場合には「息の温度」は口の外で何度くらいになっているものだろうか？つまり、「ふぅぅー」と「はぁぁ～」というやり方で吹かれた「二つの異なる息」は何度くらい温度が異なるものだろうか？
「はぁぁ～」というような「非常にゆっくりと」「口を大きく開けた状態で」息を吐いた場合、体内と体外での圧力変化は「通常の呼吸時」よりさらに小さい。つまり、体内と体外でほとんど圧力差が内と考えるのが自然である。そのような場合、「体外に吐かれた息の温度」は「体内での息の温度」とほぼ同じであることになる。つまり、今回の計算で使った数字を使うと、「はぁぁ～」と息を吐いた場合、息の温度は32°ほどであることになる。
ということは、「笑っていいとも」で解説されていたように、 「ふぅぅー」と吹かれたかれた息は「はぁぁ～」と吐かれた息より2.5 ℃くらい温度が低いということがわかる。なるほど、「ふぅぅー」と「はぁぁ～」という二つの息は温度が確かに異なるようだ。とはいえ、私たちが感じる「ふぅぅー」と「はぁぁ～」の温度差は果たして、この2 ℃程度の数字で説明できるものなのだろうか？ もちろん、2 ℃強と言えば十分な温度差であるかもしれないが(37℃の体温と39℃の体温は大違いだ…)、何だか30℃でも32℃でも(私の感覚からすると)どちらにせよ「暖かい」ような気がしないでもない。ヘンな例え話だとは思うが、気温が30℃でも32℃でもどちらにしても暖か い(というより熱い？)ように思える。決して気温30℃が涼しかったり冷たかったりするようには思えない。
というわけで、断熱過程下での圧力変化により生じる温度変化だけで「ふぅぅー」は冷たく「はぁぁ～」が暖かい理由とすると、何だか少し不思議な気分になってしまう*。 そこで、 「ふぅぅー」と息を吹くときと、息を「はぁぁ～」と吐くときの違いについて、他にも影響を与えそうな原因なども考えながらもう少し追いかけてみることにしたい。そして、『「ふぅぅー」は冷たく「はぁぁ～」が暖かいホントの理由』について考えてみたいと思う。というあたりで、(ちょっと長くなってしまったので)「断熱過程下での圧力変化」以外の他要因については次回に続くのココロ、だ。
それに加えて、「何かの現象を説明するのに、一つの理由だけを考える」というのは、えてして落とし穴にハマリがちだったりもする(そんな気がするだけだが)ので、他の理由も考えたり知ってみたい、と思う。
2006-07-23[n年前へ]
■マインドストームNXTで自分だけのロボットを作ろう(作りたい)
平林 純@「hirax.net」の科学と技術と男と女に「マインドストームNXTで自分だけのロボットを作ろう（作りたい〜YouTubeで眺めるロボットビデオ〜」を書きました。USB2.0入出力/Bluetooth まで搭載しているということで、オモチャ風デザインの「タッチ(圧力検知)センサ・サウンドセンサ・光センサ・超音波（距離・動き判別）センサ・インタラクティブサーボモータ・CPUユニットなどの詰め合わせセット」として買ってみるのも面白いかもしれませんね。
2008-02-22[n年前へ]
■「圧力センサ」アクセサリを買う
「圧力センサ」アクセサリを、ひとつ買った。直径2cmほどの半球に液体と粒子が封入されていて、半球断面に圧力をかけるとその圧力に応じて色が変わる、というアクセサリである。深い青色や、碧がかったマゼンタや…いくつかのタイプがあったけれど、そのどれもとても綺麗なアクセサリに見えた。
小さな半球状のアクセサリを、手首にあてて眺めていると、ドクンドクンと自分の脈拍が色づきとても綺麗な模様に見える。血管中の血液の圧力が、「圧力センサ」アクセサリの平面部分を変形させ、そして、アクセサリの色味を変える。そして、その光りかたを変える。
アクセサリの製造過程での材料ブレ・組み立て精度ブレなどもとても大きいことだろう。したがって、おそらく、アクセサリの固体ごとに「見え方」はずいぶんと違っているはずだ。そして、脈拍の出方だってずいぶんと人によって異なっていると思う。
だから、このアクセサリで眺める人の脈拍は、どれ一つとして同じ色はないに違いない。色の変わり方も、みんなそれぞれ違うだろうと思う。人それぞれ違う色を、人それぞれ違う脈拍を、そんなものを眺めることができそうで、直径2cmほどの「圧力センサ」アクセサリを、ひとつ買った。
2008-03-04[n年前へ]
■「ルイ・ヴィトンのモノグラム」を見てみよう
アクセサリーサイズの計測器を持ち歩いている。10円玉くらいの圧力分布計測器や、非接触温度測定器や…つまりは、小さなサイズのオモチャをいつも持ち歩いている。といっても、それは持ち歩いているだけで、実際に使う機会に恵まれることはあまりない。けれど、そんなものをいつも持ち歩いている。
メモ書きをしていると、ルイ・ヴィトン(モノグラムの6穴リング手帳を使っている人がいた。ルイ・ヴィトンがそんな文房具まで作っていることに驚き、その手帖の"LOUIS VUITTON"というブランド名"LV"の部分を15倍の小さな顕微鏡で眺めてみた。すると、少し奇妙に感じた。よくある普通の”ビニールへのハーフトーン印刷”にしか見えなかったからだ。こんな風に革に印刷することがあるものだろうか…何か変だ。
右上の画像は、15倍の小さな顕微鏡をさらにケータイ電話のカメラ機能で写したものである。安紙に印刷した雑誌と同じような印刷がされていることが見て取れる。これでは、まるで子供ようのビニール財布だ…と思ったら、ルイ・ヴィトンのモノグラムの素材は「革」ではないという実は、キャンバス地にビニール加工した素材だということであるらしい。だから、"LOUIS VUITTON"というブランド・ロゴの部分が普通の”ビニールへのハーフトーン印刷に見えるのも当たり前の話だった…というわけである。
革や木と見分けをしづらいプラスチックが溢れていることはわかっていても、よく聞く有名ブランドのルイ・ヴィトンなどもビニール・コーティングされたものを作り・売っていたのだとは知らなかった。ブランド品に興味ある人であれば常識であることに違いないが、特に興味もなく眺めることも少なかったものなので、「ルイ・ヴィトンのモノグラム」を拡大して眺めた結果は、何だか面白く・意外だった。
2008-05-15[n年前へ]
■PSoC制御の「加熱ホッケーブレード」や「堅さ可変シューズ」
PSoCはCypress社のマイコン・チップで、各種デジタル・アナログ回路が搭載されていて、その組み合わせをユーザがプログラミング（設計）できる、というものだ。FPGAほど高性能ではないけれど、PICより少し賢く便利なアナログ回路が色々詰めあわされている（だから周辺回路を大幅に減らすことができる）、という感じだろうか。アナログ制御・入出力をしたい場合には、とても便利そうなチップである。
このPSoCが使われている商品で面白いなぁ、と思うのが「Therma Blade」と「adidas_1, intelligence level 1.1.」だ。
Therma Bladeの方は、アイス・ホッケー・シューズのブレード（氷と接触する金属板部）の氷との摩擦係数を低くし、スピードを高めるために、PSoCでヒーター制御し、ホッケー・シューズ・ブレードの温度を適正に調整したり、ON/OFFしたりするものである。スケートが滑るのは、ブレードと氷の間で氷が解け水になることで、摩擦係数が下がるだ。それならば、「ブレードの温度を上手く制御してやれば、摩擦係数が下がりスピード速く滑ることができる」という狙いの技術である。
一方、adidas_1, intelligence level 1.1.の方は、PSoCで制御したモータで踵部分にあるエアクッション部を押すことで、エアクッション内圧力＝靴の堅さ（衝撃吸収率）を適正に変える、というものだ。電子制御されている車のサスペンション機構（タイヤと車ボディの間で、路面の凹凸・カーブなどがあるときの衝撃を吸収する機構）も多いけれど、それと同じような技術が搭載されたシューズである。
こういったシューズで高機能・高付加価値の流れはどれだけ進んでいくのだろうか。いつか、「トランジスタ技術４月号」で、「フレッシャーズのためのアイスホッケーシューズ制御のABC」といった特集記事が当たり前のように書かれる日が来るのだろうか。
」など。