油圧

水力学（古代ギリシャ語の ὕδωρ （húdōr）  「水」とαὐλός （aulós）  「パイプ」に由来）^[2]は、工学、化学、その他の科学を用いた技術および応用科学であり、液体の機械的特性と使用に関係する。非常に基本的なレベルでは、水力学は気体に関する空気圧の液体版である。流体力学は、流体の特性を利用した応用工学に焦点を当てた水力学の理論的基礎を提供する。流体動力アプリケーションでは、水力学は加圧液体の使用による動力の生成、制御、伝達に使用されている。水力学のトピックは、科学の一部と工学モジュールのほとんどに及び、パイプの流れ、ダム設計、流体工学、流体制御回路などの概念をカバーしている。水力学の原理は、人体の血管系と勃起組織内で自然に使用されている。^{[3] [4]}

自由表面水力学は、河川、運河、湖、河口、海などで発生する自由表面の流れを扱う水力学の分野です。そのサブ分野である開水路流れでは、開水路の流れを研究します。

水力の初期の使用はメソポタミアと古代エジプトにまで遡り、灌漑は紀元前6千年紀から、水時計は紀元前2千年紀初期から使用されていました。水力の他の初期の例としては、古代ペルシャのカナートシステムや古代中央アジアの トルファン水道システムなどがあります。

ペルシア帝国またはそれ以前のペルシア領では、ペルシア人が水車、運河、ダムの複雑なシステムを建設し、シュシュタル歴史的水利システムと呼ばれています。アケメネス朝のダレイオス大王が着手し、ササン朝のシャープール1世が捕らえたローマの技術者のグループが完成させたこのプロジェクトは、^[5]ユネスコによって「創造的天才の傑作」と呼ばれています。 ^[5]彼らはまた、紀元前9世紀頃に地下水路であるカナートを発明しました。[ ^{6 ] [7]}イランの大規模な古代庭園のいくつかは、カナートのおかげで灌漑されていました。^[8]

カナートはアルメニア高原を含む近隣地域に広がり、紀元前8世紀初頭からウラルトゥ王国はメヌア運河などの重要な水利事業に着手した。^{[9] [7] [10]}

水車と水車の最も古い証拠は、紀元前4世紀の古代近東にまで遡り、 ^{[11]具体的には紀元前350年以前のペルシャ帝国の}イラク、イラン、^[12]エジプトの地域で確認されています。[ ^13]

古代中国には孫書澗（紀元前6世紀）、西門豹（紀元前5世紀）、杜時（紀元後31年頃）、張衡（紀元後78年 - 139年）、馬鈞（紀元後200年 - 265年）がおり、中世中国には蘇宋（紀元後1020年 - 1101年）や沈括（1031年 - 1095年）がいた。杜時では鋳鉄を生産する高炉のふいごを動かすために水車が使われた。張衡は天体観測用の渾天球儀を回転させる動力源として水力を利用した最初の人物である。^{[14] [15]}

古代スリランカでは、古代アヌラーダプラ王国とポロンナルワ王国で水力学が広く使われていました。^[16]水の逃げを調節するバルブタワー、あるいはバルブピット（シンハラ語でビソコトゥワ）の原理の発見は、2,000年以上前の創意工夫によるものとされています。^[17]西暦1世紀までには、いくつかの大規模な灌漑工事が完了していました。^[18]スリランカのシギリヤには、国内の園芸や農業のニーズ、表面排水や浸食防止、装飾やレクリエーションのための水路や擁壁、冷却システムを提供するためのマクロおよびミクロ水力学が設置されていました。この遺跡の巨大な岩の上のサンゴには、水を集めるための貯水槽が含まれています。スリランカの大きな古代貯水池は、カラウェワ (ダトゥセナ王)、パラクラマ サムドラ (パラクラマ バフ王)、ティサ ウェワ (ドゥトゥガムヌ王)、ミンネリヤ (マハセン王) です。

古代ギリシャでは、ギリシャ人は洗練された水力発電システムを構築しました。一例として、エウパリノスが公共契約に基づいてサモス島の給水路であるエウパリノストンネルを建設したことが挙げられます。水車の使用例としては、おそらくヨーロッパで最も古いペラコラ水車（紀元前3世紀）が挙げられます。^[19]

ギリシャ・ローマ時代のエジプトでは、クテシビオス（紀元前270年頃活躍）とアレクサンドリアのヘロン（紀元後10年頃 - 80年頃）による最初の水圧機械オートマタの製作が注目される。ヘロンは、ローマ時代の遺跡から水を汲み上げたり消防車に使われていたことが知られている強制ポンプなど、水力を利用したいくつかの作業機械について記述している。 ^[20]

ローマ帝国では、公共水道、無数の導水路、水車を使った動力、水力採掘など、さまざまな水力利用法が開発されました。彼らは、谷を越えて水を運ぶためにサイフォンを利用した最初の人々の一人であり、金属鉱石を探査して採掘するために大規模な水洗法を使用しました。彼らは、温泉への給水など、家庭用および公共用の配管システムに鉛を広く使用しました。^[要出典]

紀元前25年にアウグストゥスが征服した北スペインの金鉱では、水力採掘が使用されていました。ラス・メドゥラスの沖積金鉱山は、その鉱山の中で最大のものの一つでした。少なくとも7本の長い水道橋が使われ、水流は柔らかい鉱床を侵食し、その後、貴重な金の含有量のために尾鉱を洗い流すために使用されました。^{[21] [22]}

イスラム世界のイスラム黄金時代とアラブ農業革命（8世紀～13世紀）には、技術者らが水力発電を広く利用したほか、潮力発電の初期の利用や^[23]、大規模な水力工場群^[24]も行われた。イスラム世界では、縮絨工場、製粉所、製紙工場、籾摺り機、製材所、造船所、スタンプ工場、製鉄所、砂糖工場、潮力工場など、さまざまな水力産業用工場が使用されていた。11世紀までには、アルアンダルスや北アフリカから中東や中央アジアに至るまで、イスラム世界のあらゆる州でこれらの産業用工場が稼働していた。^[25]イスラム技術者らは水車も使用し、水車や揚水機に歯車を採用し、水力源としてダムを利用する先駆者となり、水車や揚水機に追加の電力を供給した。^[26]

アル＝ジャザリ（1136-1206）は、著書『巧妙な機械装置に関する知識の書』の中で、水時計、ワインを提供する装置、川や池から水を汲み上げる5つの装置など、水力を利用した装置を中心に50の装置の設計図を記している。これらには、水差しが取り付けられたエンドレスベルトや、ヒンジ付きバルブを備えた往復運動装置などが含まれている。^[27]

最も古いプログラム可能な機械は、イスラム世界で開発された水力装置でした。プログラム可能な楽器であるミュージックシーケンサーは、最も古いタイプのプログラム可能な機械でした。最初のミュージックシーケンサーは、9世紀にバヌ・ムーサ兄弟が発明した自動水力フルート奏者で、彼らの著書『巧妙な装置の書^{』に記載されています。 [28] [29]} 1206年、アル＝ジャザリは水力で動くプログラム可能なオートマトン/ロボットを発明しました。彼は、プログラム可能なドラムマシンで操作されるドラマーを含む4体のオートマトンミュージシャンについて説明し、異なるリズムやドラムパターンを演奏させることができました。^[30]

1619年、ガリレオ・ガリレイの弟子ベネデット・カステッリは、現代の流体力学の基礎の一つとなる『流水の測定について』を出版した。彼は1626年から教皇領の河川管理など、水力プロジェクトに関する教皇の主任顧問を務めた。^[31]

1500年から1800年にかけてのイタリアにおける水に関する科学と工学に関する書籍や写本は、2022年に出版された図解入りカタログに掲載されています。^[32]

ブレーズ・パスカル（1623–1662）は、作動油の原理を中心に流体力学と静水力学を研究しました。油圧理論の発見により、彼は油圧プレスを発明しました。油圧プレスは、小さな領域に作用する小さな力を、より大きな領域全体にわたる大きな力の適用に増幅し、両方の場所で同じ圧力（または正確な圧力変化）を介して伝達します。パスカルの法則または原理は、静止している非圧縮性流体の場合、圧力の差は高さの差に比例し、外部からの力の適用によって流体の全体的な圧力が変化するかどうかに関係なく、この差は同じままであると述べています。これは、閉じ込められた流体内の任意のポイントで圧力を増加させると、容器内の他のすべての端で均等に増加することを意味します。つまり、液体の任意のポイントに適用された圧力の変化は、流体全体に減少せずに伝達されます。

フランスの医師ポアズイユ（1797-1869）は、体内の血液の流れを研究し、血流が発生する管の直径に応じて血流速度が決まる重要な法則を発見した。^{[33] [要出典]}

19世紀には、エレベーターやクレーン、キャプスタンなどの機械を動かすために、市全体に水力発電網を整備した都市がいくつかあった。ジョセフ・ブラマー^[34]（1748年 - 1814年）は初期の発明者であり、ウィリアム・アームストロング^[35]（1810年 - 1900年）は産業規模で電力を供給する装置を完成させた。ロンドンでは、ロンドン水力発電会社^[36]が、ロンドン西部、シティ、ドックの大部分にパイプを供給する主要供給元であったが、ドックや鉄道 貨物ヤードなど、単一企業に限定された計画もあった。

生徒が水力学の基本原理を理解した後、教師の中には、水力学の類推を使って生徒が他の事柄を学べるようにする人もいます。たとえば、

• MONIACコンピュータは、油圧コンポーネントを流れる水を利用して、学生が経済学を学習できるようにします。
• 熱水力学の類推では、水力学の原理を利用して、学生が熱回路について学習できるようにします。
• 電子工学と油圧の類推では、油圧の原理を利用して学生が電子工学について学ぶのを支援します。

質量保存則と流体の圧縮性を組み合わせると、圧力、流体の流れ、体積膨張の間には以下のような基本的な関係が生まれます。^[37]

${\displaystyle {\frac {dp}{dt}}={\frac {\beta}{V}}\left(\sum _{\text{in}}Q-{\frac {dV}{dt}}\right)}$

非圧縮性流体、または圧縮性と流体容積の比率が「非常に大きい」と仮定すると、圧力上昇率が有限であるため、収集された流体容積への正味の流れによって容積変化が生じる必要があります。

• ラシッド、ルシュディ、モレロン、レジス（1996）、アラビア科学史百科事典、ロンドン：ラウトレッジ、ISBN 978-0-415-12410-2。

ウィキメディア・コモンズには、油圧に関連するメディアがあります。

ウィキブックの学校科学には、水力学のデモンストレーションに関するページがあります。

• パスカルの原理と水力学（アーカイブコピー）
• 油圧の原理
• IAHR メディア ライブラリ 写真、アニメーション、ビデオの Web リソース
• MIT 水力学コースノート