安全な灯油ランプの製作 12 班１．はじめに 2009 年現在，電化されていない地域に住む人は全世界で 11 億人を超えている．1)未電化地域では夜間照明に電灯を用いることができないため，薪や灯油ランプが代替照明として利用されている．中でも灯油ランプを用いる場合には空き缶などに灯油を注いで火を灯すため，倒したときには火災に直結するリスクを持つ．以上より，灯油ランプに用いる空き缶を接続可能な安全機構を製作すれば火災を防止し，また安心して作業を行えることから長期的に未電化地域での QOL を向上させることができると考えた．このため，本研究では開発途上国で使用される灯油ランプが倒れ，火災が発生するリスクを最小化するために，灯油ランプのための水平保持装置を具現化することを目的とする．２．重力を利用した水平保持機構の考察研究を進めるに当たっては倒れないような容器を作ることを目的とした．本研究では，重心に生じる重力によるモーメントを利用して水平保持を実現することとした．図１に示すように，回転軸と重心がずれている場合，基盤には重力によって水平を保つようにモーメントが生じる．その結果物体は青矢印のように元に戻る方向に回転する．長谷川智大の外容器，さらに灰色のおもりにより構成されている．実際の装置では基盤の中心部に灯油ランプを設置する．照明器具はおもりとしての機能も兼ねており，本実験においては空き缶製の灯油ランプの代わりとして金属のおもりを基盤に取り付けた．また基盤と円環，円環と外容器はそれぞれ回転ができるようピンで接続されている．図 2 実験装置２章で述べた通り，基盤平面が水平状態を保つためには二つの直交する回転軸をつくる必要がある上，回転は滑らかに行われなければならない．さらに構成部品が少ないほうがコストダウンにつながると考えたため，外容器の形状に半球殻を採用した．加工が容易であることから基盤と円環，外容器の材質にはアクリルを採用した．基盤，円環はともに厚さ５㎜のアクリル板を用い，基盤の直径は１１０㎜とした．また円環の内径は１１６㎜，外径は１２０㎜とした．基盤の側面に対向する位置に直径２㎜で深さ１０㎜の穴を二つ開けた．円環は９０度ごとに４か所の穴をあけた．さらに半球殻にも縁の部分に対向するように直径２ミリの穴をあけた．基盤と円環，円環と外容器を図３のようにピンで支持した．おもりは基盤の中心部に，その裏側に水準器を取り付けた．図 1 傾いた際の動き回転軸が直交するようにさらにもう一つこの構造を追加すれば，つねに基盤が地面と水平になろうとする構造を作ることができる．３．設計と製作 3.1 設計図２のような実験装置を設計した．本装置は，図中赤で示されている基盤，そして黄色の円環，透明図 3 ピン支持の位置さらに図４のように直径２㎜，長さ２０㎜のネジを円環の穴に通し，基盤の穴に差し込んだ．反対側も同様の操作を行った．図８図 4 ピン接続続いて半球殻にあけた穴から直径２㎜，長さ１０㎜のねじを通し円環のもうひとセットの穴に通した．ねじを止めるために先端にナットを通した． 3.2 製作設計に基づいて製作を行った．製作したものを図５に示す．図 5 完成品４．実験 4.1 方法完成した模型を①半球殻と円環をつなぐピンの方向，②円環と基盤をつなぐピンの方向，③その中間の方向にそれぞれ約３０度傾けた．これらの条件で基盤の傾きを目視と水準器の気泡の位置からそれぞれ観測した． 4.2 結果完成した模型を①から③のそれぞれの方向に傾けたとき，基盤の傾きは図６から８のようになった． ①のときは基盤と円環をつなぐピンのみ，②のときは円環と外容器をつなぐピンのみ③のときはその両方が回転した．①～③のいずれの場合も目視では水平面が保たれているように見えたが水準器を確認すると気泡は中心からずれていた．図６図７ ①の方向に傾けたとき ②の方向に傾けたとき ③の方向に傾けたとき５．考察 4.2 の結果で目視による観測では，３つのいずれの方向に傾けても基盤は水平面と平行に保たれていた．しかしながら水準器を見ると気泡の位置は中心部からずれていた．これは基盤と円環部分の接続がネジで通しているだけになっているため図９ように動くようになったことが原因である．図９ピン位置のずれこのようなずれが生じると基盤と円環の距離が変わるため重心の位置はこの距離が近い側に移動する．この結果，図１０の緑の点に重心が移動し，回転軸と重心の位置を結んだ緑の線が地面と鉛直になり，基盤が傾いてしまう．図１０重心のずれ６．おわりに今回の実験から傾けた際もある程度円盤の水平は保たれ，機構が機能するということは判明した．しかしこれを実用化するためには木材や安価な金属を利用してより生産コストを下げる必要がある．また当初の目的である空き缶を接続できるような装置を追加することも課題として残る．これは基盤の下にもう一つ面を追加してそこを支えることが可能な機構を作れば解決できる．参考文献 1) IEA, World Energy Outlook 2011, www.iea.org/publications/freepublications/publica tion/weo2011_web.pdf (2015/01/17 アクセス)