物の重量やエネルギーは次のような性質を持つ。
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手に持った野球のボールのような固体の静止重量は、その重量そのものである。ボールは地球の自転とともに移動しているが、持っている手も一緒なので静止しているのと同じである。 |
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投手が投げた野球のボールのような固体の運動エネルギーは、速度の二乗に比例する。 |
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風や水流のように連続して移動する気体や液体の流体エネルギーは、速度の３乗に比例する。 |
最大風速が時速62km以上の低気圧を台風と呼ぶ。風速が時速62kmの時に単位面積にあたる風のエネルギーを１とした場合の、より上位の区分の台風又は竜巻の、速度の３乗に比例する流体エネルギーの倍数を表に示す。台風は洋上の最大風速ではなく、陸地の最大風速を掲載する。
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最大風速による台風の区分 |
最大風速による竜巻の区分 |
エネルギー比率 |
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時速 62km以上 弱い台風 |
エネルギー１倍 |
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時速118km以上 強い台風 |
時速117km以上 並みの竜巻 (2012年 筑西市～桜川市ルート）
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エネルギー７倍
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時速157km以上 非常に強い台風 （1945年 枕崎台風、時速184km） （1959年 伊勢湾台風、時速163km） |
エネルギー16倍 |
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時速181km以上 相当な竜巻 (2012年 真岡市～茂木町ルート） |
エネルギー25倍 |
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時速194km以上 猛烈に強い台風 (1961年 第二室戸台風 推定時速304km）
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エネルギー31倍 |
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時速254km以上 猛烈な竜巻 (2012年 常総市～つくば市ルート） |
エネルギー69倍
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時速333km以上 深刻な竜巻 |
エネルギー155倍 |
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時速419km～512km 信じがたい竜巻 （米国の竜巻の史上最速の記録） |
エネルギー308倍 |
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過去の記録や今後のために設定された区分によれば、おおむね竜巻の方が台風よりも、単位面積にあたる風のエネルギーは大きい。 |
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日本の記録では第二室戸台風の最大風速は推定時速約304kmである。新幹線並みの速度である。竜巻の風速を記録するのは困難であるが、つくば市ルート竜巻は時速300km前後と推定される。 |
| 台風や竜巻の区分が１ランク上がると、単位面積にあたる風のエネルギーは数倍になる。 |
◇１立方メートルの空気の重さはカモメぐらい
空気の重さは大気の中では測定困難だが、１リットルで約1.3ｇである。１円アルミ硬貨の１gに近い。１立方メートルなら1.3kgである。1立方メートルの風があたる時の衝撃は、１円アルミ硬貨の1300円分や体重が1.3kgのセグロカモメが衝突した時の衝撃とほぼ同じである。
静止重量の例は次のとおりである。
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手に持った野球のボールの重さ。例えば硬式球は約145g。 |
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運ぶために頭に載せた水の入ったポリタンク。例えば10リットルなら10kg。 |
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ジャッキアップされた自動車の重量。例えば1390kg。 |
普段は重さを感じない空気の重さを、自動車の重さと比べてみよう。
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タクシー（クラウン コンフォート）の車体重量は1390kg、前面投影面積は約2.6平方メートル 1390kgの空気の体積＝1390kg÷1.3kg／立方メートル＝1069立方メートル １面の面積が自動車と同じ2.6平方メートルの直方体の空気の長さ＝1069÷2.6＝411メートル |
もしもそのようなの直方体の空気の風船があれば、自動車と空気の重さは同じである。411メートルというのは新幹線の16両編成の404メートルに近い。
◇空気の固まりの運動エネルギー
運動エネルギーは「質量×速度の二乗÷２」であり、速度の二乗に比例して大きくなる。運動エネルギーの例は次のとおりである。
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野球の投球や打球。投球は例えば時速160km。打球は例えば時速250km。 |
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理科の実験で段ボール箱の空気砲（エアバズーカ）から発射するひとかたまりの空気。 |
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走行している自動車。ブレーキをかけて止まるまでに要する距離は、速度のほぼ二乗に比例する。 |
空気のエネルギーはイメージしにくいので、面積2.6平方メートルで長さ411メートルの直方体の空気の風船が、特急列車や新幹線列車のように目の前を通り過ぎる時間でイメージしてみよう。
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強い台風の時速を150kmとすると秒速は42メートル。 長さ411メートルの空気の固まりが通過する時間＝9.8秒 （在来線特急並み） 猛烈な竜巻の風速が時速300kmとすると秒速は83メートル。 長さ411メートルの空気の固まりが通過する時間＝4.9秒 （新幹線並み） |
通過する列車に相当する空気の風船が、タクシーの前面に当たれば、タクシーと同じ重量のものが衝突したのに相当する（空気の風船の前面面積はタクシーと同じとする）。
◇風の流体エネルギー
風や流水のように連続的に通過する流体エネルギーは「密度×断面積×速度の３乗÷２」である。流体エネルギーの例は次のとおりである。
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ジェット機の噴射。離陸から着陸まで灯油の燃焼ガスを噴射し続ける。 |
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津波。津波は普通の波とは違い、高潮が低い所へ流れいくので川の流れに近い。 |
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ジャンボ旅客機777-300が１回の飛行で可能な総噴射量は次のとおりである。 機体の容量は約1400立方メートル。積載燃料は灯油約170立方メートル。 燃焼して気化すると約110倍の約19000立方メートル。これは機体容量の約13倍である。 777-300の総重量は約340トン、航続距離約11000km、巡航速度は時速約1000kmである。この性能を持続させるのが、灯油と酸素による気化物の噴射速度の３乗に比例する風のエネルギーである。 |
まともな木造家屋や自動車は、風速150kmの台風や地震の揺れでは倒壊したり転倒したりしない。これが木造家屋や自動車の安全な設計・製造の成果である。
まともな木造家屋や自動車も、風速300kmの猛烈な竜巻では倒壊したり、転倒したりする。これが速度の３乗に比例する８倍の仕事なのである。
◇典型的な津波の流体エネルギーは竜巻の１．３倍
参考までに津波の流体エネルギーを理解しておこう。
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津波は波長の極めて長い平坦な波である。遠洋での波の伝搬速度は時速360kmぐらいである。 陸地より高い津波が陸地へ到達すると、波の上下動の形が伝搬するのではなくて、水が移動する形で陸地へ流れ下る。その流速は時速約36kmで、狭い道路の自動車並みである。流速は竜巻よりも遅いが、比重は海水の方がはるかに重い。 津波対竜巻の流体エネルギーの比は次のように、津波が約３割増しである。 （1.024÷0.0013）×（時速36kg÷時速300kg）の３乗＝約１．３倍 |
地震の揺れでは倒壊しない木造家屋が、津波によって簡単に倒壊する。台風では転倒しない自動車が、津波によって翻弄される。
破壊力は「津波＞竜巻＞台風・地震」という順序である。竜巻や津波の破壊力は、大人が子供の感想文のように描写するまでもない。子供が習っている理科の知識があれば、津波や竜巻の破壊力は自明なのである。