オームの法則
電流は電圧に比例し抵抗に反比例するという関係 V=IR。電圧2倍で電流2倍、抵抗2倍で電流半分。電力 P=VI とジュール熱、電気代や感電まで、電気の基本が一本でつながる。
この教科の解説記事
2 件歯車とギア
歯数を変えると回転数とトルクが入れかわるのはなぜか。角速度比・トルク比・モジュール、自転車のギアや車のトランスミッションまで、歯車比のトレードオフを4階層でやさしく解く。
電流は電圧に比例し抵抗に反比例するという関係 V=IR。電圧2倍で電流2倍、抵抗2倍で電流半分。電力 P=VI とジュール熱、電気代や感電まで、電気の基本が一本でつながる。
歯数を変えると回転数とトルクが入れかわるのはなぜか。角速度比・トルク比・モジュール、自転車のギアや車のトランスミッションまで、歯車比のトレードオフを4階層でやさしく解く。
設計図を引き、模型を組み、機構を試運転する。学年ごとに今日の作業台を選ぼう。
公開中 109 ・ 仕込み中 509（全 618 単元）
92 件 / 公開中 109・仕込み中 509
支点・力点・作用点と、おもり×距離のつりあい。
この学年の作業台はまだ仕込み中。順次オープン予定です。
電気エネルギーと機械エネルギーが相互変換される原理（モーター・発電機）。
LED・抵抗・コンデンサ・トランジスタを組み合わせた簡単な電子回路の動作。
歯数 A・B のつまみで回転と力の交換を目で見る、機械工房のアトリエ卓。自転車・時計・遊園地に地続き。
4節リンク・スライダクランクで回転を直線に変える機構の基礎。
抵抗素子と電源からなる直流回路を、オームの法則とキルヒホッフの電圧則・電流則で解析する基礎。
正弦波交流における電圧と電流の関係を複素数（フェーザ）で表し、インピーダンスで解析する。
外力・モーメントを受ける剛体が静止するための条件を、ベクトル和とモーメント和ゼロで解く。
金属・セラミックス・高分子・複合材料の分類と、それぞれの結晶構造・力学特性の概観。
工学計算の基礎としての変数・制御構造・関数・配列・ポインタ。
力学的・電気的・熱的エネルギーの相互変換と、損失・効率の考え方。
スイッチ投入直後のRLC回路で起こる過渡現象を、2階微分方程式と特性方程式で解析する。
比例・積分・微分の3要素で誤差を補正するフィードバック制御の基本構造とゲイン調整。
線形システムをラプラス領域で記述する伝達関数と、ブロック線図の等価変換。
ばね・質量・ダンパ系の固有振動と強制振動、共振現象の理論。
棒・はり・軸に作用する応力とひずみ、断面二次モーメントを用いたたわみ計算。
カルノー・オットー・ディーゼル・ランキンなどの熱サイクルとその効率。
理想流体の連続の式・運動量保存・ベルヌーイの式と粘性流体への拡張。
ガウスの法則・アンペールの法則・ファラデーの法則・マクスウェル方程式の工学応用。
ねじ・歯車・軸・軸受・ベルトなど基本要素の選定と強度計算。
工学問題を計算機で解くための補間・数値積分・常微分方程式の数値解法。
時間信号を周波数成分に分解するフーリエ変換と高速フーリエ変換（FFT）。
離散時間信号に対するFIR・IIRフィルタの設計と特性。
システムを状態ベクトルと行列で記述する状態空間表現と、可制御性・可観測性。
ロボットアームの関節角と手先位置を変換する順運動学・逆運動学。
弾性体を有限個の要素に分割し、各要素の剛性方程式を組み立てて応力分布を求める手法。
ナビエ・ストークス方程式の離散化と、流れ場のシミュレーション。
結晶中の電子のエネルギーバンド、価電子帯・伝導帯・バンドギャップ、ドーピング。
BJTおよびMOSFETの動作原理と、増幅・スイッチング用途での特性。
4節リンク・スライダクランク・カム機構など、運動を変換する機械機構の解析。
熱伝導・熱対流・熱放射の3形態と、フーリエの法則・ニュートンの冷却則・ステファン・ボルツマンの法則。
DC-DC、DC-AC、AC-DCコンバータの基本構造とPWM制御。
モデル誤差や外乱の不確かさを含むシステムに対し、最悪値を抑えるロバスト制御。
CMOS論理ゲートのトランジスタレベル設計と、レイアウト・タイミング解析。
AM・FM・PM・QAM・OFDMなどの変調方式と、ノイズ耐性・帯域効率の比較。
回帰・分類・クラスタリングなど機械学習の基礎と、工学データへの応用。
生体信号計測、医用画像、人工臓器、生体力学の概観。
シリコン微細加工で作るマイクロセンサ・アクチュエータの設計と動作原理。
ワイドバンドギャップ半導体（SiC・GaN）を用いた高効率・高周波電力変換。
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）など異方性材料の力学挙動と積層設計。
構造・熱・流体・電磁などを連成して解くマルチフィジックスシミュレーション。
太陽光・風力・水力・地熱の発電原理と、系統連系・蓄電との統合設計。
幾何光学のレンズ設計、光ファイバの波動光学的解析、収差補正。
リアプノフの安定論、フィードバック線形化、スライディングモード制御。
ゴム・空気圧・人工筋肉など柔軟素材で構成されるロボットの設計と制御。
ケプラー軌道、ホーマン遷移、ランデブ、軌道制御の理論。
超伝導接合、量子ドット、量子閉じ込め効果を用いた次世代デバイス。
リチウムイオン電池の電気化学反応と劣化、次世代の全固体電池の設計。
スキャフォールド設計、細胞培養、3Dバイオプリンティングによる組織再生。
未来の予測ホライズン内で最適化を解き続けるモデル予測制御。
国際的に新規性のある研究テーマの遂行と、査読論文の執筆。
超伝導量子ビット、イオントラップ、光量子計算機などのハードウェア実装。
トカマク・ステラレータによるプラズマ閉じ込めと、第一壁・ブランケット工学。
脳信号を計測・解読してロボットや音声を制御する次世代インターフェース。
ヤモリの足、ハスの葉、サメ肌など生物構造に学ぶ機能性材料。
多数のロボットが分散制御で協調するスウォームインテリジェンス。
リチウム空気電池、全固体電池、フロー電池など次世代蓄電技術。
重さで石どうしが互いに押し合う向きに力が伝わる構造で、ばらばらの石でも全体として安定するから（圧縮力の流れ）。
ペダル 1 回転で後輪を何回転させたいかを「歯車の比」で選ぶしくみ。前後の歯数の組み合わせで、平地は「速度型」・坂道は「力型」に切り替える。
偏った形の円盤（カム）が回ると、当たる棒が周期的に押し出される。回転を直線運動に変換するからくり。
上から崩されないように上端を内側に反らせる（武者返し）と、攻め手が登りにくくなり、構造的にも安定するから。
水圧は深さに比例して大きくなる（P=ρgh）ので、底ほど大きな力に耐えなければならず、下に行くほど厚みが要るから。同じ理由で、浸水時は水深30cm前後で車のドアが開かなくなります。
反対側に乗客とほぼ同じ重さのおもり（カウンターウェイト）をぶら下げ、差分だけ持ち上げればよい設計だから。
回る物には「回転を続けようとする慣性」がたまっているから（慣性モーメント）。これを利用して動力をためる装置がフライホイール。
ポンプが水に圧力を加え続け、その圧力差を運動エネルギーに変えて空中に押し上げているから。
歯数の比でトルク（回す力）と回転数を交換できる。大→小なら速度倍増、小→大なら力倍増。
コイルに高周波の電流を流すと磁界が発生し、鉄の鍋の中に渦電流が生まれて、その電気抵抗で鍋自体が発熱するから（電磁誘導加熱）。
木と木をパズルのように噛み合わせる継手・仕口の形で、木の重さや横方向の力でかえって接合が締まる設計になっているから。
てこの原理。支点から遠い側に小さな力をかけると、近い側に大きな力が伝わる「力 × 長さ」の交換が起きるから。
長さの異なる棒を関節でつないだリンク機構を組み合わせると、入力 1 つから複雑な軌跡を描けるから。
入ってきた音の波と「ちょうど逆向きの波」を内側から出して打ち消すから（逆位相による波の干渉）。
中央の心柱と各層が独立して揺れることで、全体の揺れがお互いに打ち消し合う制振構造になっているから。
吸気→圧縮→爆発→排気の 4 ストロークを繰り返し、爆発の力でピストンを押し下げ、それを回転に変えている。
柱は屋根の重さを下に押す圧縮力、梁は上からの荷重で下にたわむ曲げ力を受ける。両者で建物の重さを地面に逃がす。
滑車を組み合わせて力を分散し、長い距離ロープを引く代わりに小さな力で重い物を上げられるから（動滑車）。
コンクリートは圧縮に強く引張に弱い、鉄筋はその逆。互いの弱点を補い合うので組み合わせると両方の力に強くなる。
地面→路盤（割砕いた石）→基層（粗いアスファルト）→表層（細かいアスファルト）の三層構造で、上ほど密に・下ほど荷重を分散させる役割を持つ。
ネジの溝は「巻きついた斜面」。長い斜面をゆっくり登れば小さな力で高くいけるのと同じ原理で力が倍増する。
建物と地面の間にゴム積層体（免震）を挟む、上層に大きな振り子（制振）を吊るすなど、揺れを受け流す仕組みが組み込まれているから。
重く厚い壁ほど音は通しにくい（質量則）うえに、隙間を埋め、二重壁＋空気層で音波のエネルギーを段階的に減衰させているから。
橋桁の重さを多数の吊り材でメインケーブルに伝え、ケーブルの強い引張力で主塔まで運び、地面に逃がしているから。
タイヤのバルブ（ムシ）は、入れる方向にだけ開いて押し戻されたら閉まる「一方向バルブ」になっているから。
三角形は 3 辺の長さが決まると形が一意に決まる「変形しない図形」。四角形は潰れるが三角形は潰れないので構造に強い。
掘る前後に支保工で岩盤を補強し、アーチ型の壁が周囲の土圧をうまく受け流す構造になっているから。
作れる。レッドストーン信号で AND・OR・NOT といった論理ゲートを組み、それを組み合わせて半加算器→加算器と進めば、足し算する回路が完成する。
「青→黄→赤→…」と状態を順に進める「状態機械」というプログラムが、時間や歩行者ボタンに応じて次の状態を決めているから。
翼の上側を速く、下側を遅く空気が流れることで圧力差が生まれ、上向きの揚力が機体を支えるから。
レンズの絞りを大きく開ける（F 値を小さくする）と、ピントの合う範囲（被写界深度）が浅くなり、背景がぼける。
水深 10 m ごとに約 1 気圧ずつ水圧が増えるから。深海艇は球形＋分厚い金属でこの巨大な圧力に耐えている。
4 つのローターが下向きに空気を押し出し、その反作用で機体が押し上げられる。隣り合うローターを逆回転させて反トルクも打ち消す。
急傾斜だと雪が滑り落ちやすく、屋根が支えなければならない荷重（積雪荷重）を減らせるから。
充電パッドのコイルが磁界を作り、スマホ側のコイルにその磁界が電流を起こすから（電磁誘導）。
この学年の作業台はまだ仕込み中。順次オープン予定です。
