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摩擦熱について簡単な説明はありますか

ピルチャード
2018年1月25日 10:37

ここ数日、非常に寒い日が続きます。こういう寒い時、手と手をこすり合わせて、少しでも暖かさを感じようとしたことのある人も多いと思います。
手と手をこすって暖かくなるのは主に摩擦熱によるものだと思うのですが(マッサージ効果もあるでしょうが)、この「物と物をこすり合わせると暖かくなる(熱が発生する)」ということの理由、理屈を小さい子供(小学校低学年くらいまで)に説明しようとする場合、何か分かりやすい説明の仕方はないでしょうか。

どなたか、よろしくお願いいたします。

ユーザーID:7566811809  


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レス数:24本

タイトル 投稿者 更新時間
理屈ではなく
理科子
2018年1月25日 12:12

実際に紙を2枚、しばらくこすり合わせて温かくなるのを感じさせればよいでしょう。

もっとも、手が温かくなるのは末梢血管が拡張して温かい血がたくさん流れてくるからで、摩擦や息をふきかけるのは、そのための刺激、摩擦熱は大したことないと思います。

ユーザーID:3480373453
”力(ちから)”は、行先で何かに変わる
緑鍵盤
2018年1月25日 12:37

力を使ったらその力は、伝え先で何かに伝わり、形を変える。


・ものにつたわり、ものが動く
 →これは、力が、その”もの”に移ったのでその先でまた何かに変わる


・音が出る
 →これは、力が、空気の動きに変わって四方八方に広がって行く。
  広がった先で薄まるので、どこへ行ったか行先が見えなくなってしまう。


・熱に変わる
 →これが摩擦熱。もの(手)を温め、やがてその熱は四方八方に広がっていく。
   広がった先で薄まるので、どこへ行ったか行先が見えなくなってしまう。

ユーザーID:4780644323
実は分子論的には複雑
ぷよ
2018年1月25日 18:40

手の平同士の場合は、最表面の凹凸部分での衝突により、
手の運動エネルギーがタンパク分子の熱的振動運動に変換されることで、
温度上昇が引き起こされるから、でいいと思います。

簡単に言うと、あなたがラリアットしたりタックルしながら人ごみを歩いたら、
周りの人が吹っ飛びまくって周りもザワザワするけど、それと一緒。

ユーザーID:2480806942
小さい子にはムリです
あいんしゅたいん
2018年1月25日 19:57

>理屈を小さい子供(小学校低学年くらいまで)に説明しようとする場合、何か分かりやすい説明の仕方はないでしょうか。

私に「特殊相対性理論」をわかり易く説明することができないのと同じ理由で、それはできません。

理由は、その説明を理解するのに必要な基礎知識が無いからです。

たとえ話で誤魔化すことはできますよ。たぶん、そういうレスはたくさんあるでしょう。

ユーザーID:2985912432
火をおこす仕組み
おかめ
2018年1月26日 21:37

縄文時代の火起こしを
動画で見せるのはどうですか?
私たちが子供の頃はインターネットなんてありませんでしたが
今はそのような動画も見れますから。

ユーザーID:7922962267
分子の運動・振動
理論物理屋
2018年1月27日 19:08

1. 気体・固体等は全て分子で構成されている。気体は分子が互いに衝突しながらもほぼ自由に飛び回り、固体は主に電気的な力によって分子がお互いを固定している。

2. 熱いとは分子のスピードが速いことである。
気体では高温になるほど、分子の飛ぶスピードが速い。
固体では高温になるほど、分子が固定された場所で激しく振動する。
これら、動きの速い分子が皮膚に触れたとき、高温になるほど激しく当たって痛いので、それを熱いと感じる。
気体の100度に比べて固体の100度の方がより熱い!!のは、密度が高くて沢山の分子がぶつかって来るせい。

3. 摩擦は、固体中の分子を固定している電気的な力の一部が(おそらく分子の分極によって)漏れ出て、異なる固体の間で互いの分子を引っ張ろうとする作用である。
つまり、左手の分子は左手内で電気的に固定され、右手の分子は右手内で電気的に固定されている。
これら、固定しようとする電気的な力が一部漏れ出て、左手の電気的力が右手の分子を、右手の電気的力が左手の分子を引っ張り、摩擦(引っ掛かり)が生じる。

4. そこでさらに両手を擦り合わせると、摩擦によって(引っ張る力によって)、左右の手のひらの分子が互いに揺り動かされる。結果、分子の振動が速くなり、温度が上昇する。

こんなもんで如何でしょうか。
それほど嘘は言っていないと思います。
マッサージ効果も、筋肉が動かされて血流が良くなるというマクロな作用は別にして、ミクロには摩擦熱なんじゃないかなぁと。

2. は、あくまで現象論的な説明(実験・観測事実に理屈を付けたもの)です。熱とか温度とかいうものは、第一原理的には難しい概念で、実は良く分かっていません。
3. の摩擦も原理的には結構奥深いらしく、上記の説明はシンプル過ぎるかもしれません。この効果が支配的なんじゃないかという想像です。

ユーザーID:5257712430
間違いがあります
技術系
2018年1月28日 14:54

>手と手をこすって暖かくなるのは主に摩擦熱によるものだと思うのですが
これは間違えてます。

手と手をこすって暖かくなる訳は「手先の血流が改善して暖かい血液が手の先まで行き渡るから」です。

手と手をこすって摩擦熱で暖かくなるならペットボトルなどを手でこすったら熱を持ちますか?

同じような間違えの例があります。 足が冷たいので靴下を3枚重ねて履いている。

靴下で改善しません。マネキンの足に3枚の靴下を重ねて履かせると足部分が温まりますか?

マッサージで足先の血流を改善すると足の体温が高まります。

ユーザーID:6432605560
力は直接の関係がありません
2018年1月30日 14:24

>・ものにつたわり、ものが動く
> →これは、力が、その”もの”に移ったのでその先でまた何かに変わる

コンクリートの大きなビルの壁を押してみればわかります。
押してもピクリとも動きませんよね。伝わっているはずなのに、何も動きません。その先でも何も起きません。動かないということは、仕事をしていないのです。

力F(N)が働いて、物体がs(m)動いて仕事W=F s(Nm)になります。

水入りバケツを持って立たされているとき、手に力は必要ですが、仕事はしていませんし、温度も上がりません。
持って立たされている人の温度はほぼマチガイナク上がります(笑)

ユーザーID:2985912432
今の子はやらんかな
ジャミラ
2018年1月30日 15:05

私ら、悪かったので、
学校行きたくないとき、「気分が悪い」つって申告して、
「熱測れ」と体温計(当時は水銀式)渡されたら、
親がいなくなった途端に「はいやあっ」って凄い勢いで体温計の先の温度感知部分と敷き布団をこすり合わせて、
いい感じの所まで水銀上げてましたが。
凄い勢いでこすらんといけんかったがな。
そういう悪知恵は低学年からあって、
「こすればブツが熱を持つ」ってのはそういうのは意味で「生活密着の知恵」だった。

今のデジタル式体温計はそういうのは効かんかなあ。
効くなら、まあ一緒にこすって見れば温度が上がるの観察できるけど。
ダメなら…水銀式の体温計買えとまでは言えんがなあ阿呆らしいし。
力加減わからなくて(今の子はこういうの身についてないよなあ)押しつけすぎて割ったら大ごとだしなあ。

ユーザーID:8606312301
あ、理屈じゃないな
ジャミラ
2018年1月30日 15:13

ごめん、前レスは実例だけど理屈じゃないですね。
理屈はなかなか小さい子には難しいねえ。
レス見ると、ラリアットの話が面白いねえ。

ユーザーID:8606312301
手と手をこすって暖かくなる
緑鍵盤
2018年1月31日 8:39

>手と手をこすって暖かくなるのは主に摩擦熱によるものだと

 正解です。

 血流の改善に言及している方々もいますが、「手と手」「手と紙」「手と木」などそれなりにミュー(摩擦係数)のあるもの同士を力強くこすり合わせ、その直後に熱が生じるのは摩擦熱以外のなにものでもありません。
実際に手と手を強くこすり合わせれば0.5秒後には「熱」を感じます。

 

「手と手」「暖かくなる」とのキーワードで、「こすり合わせたのち、しばらくして手が暖かくなりそれが継続する現象」のことを想像し、これを指して「摩擦熱ではない」という指摘がありますが、それとこれとは別物です。

ユーザーID:4780644323
摩擦熱です
2018年1月31日 10:06

手と手をこすり合わせて温かくなるのは、一部は確実に摩擦熱です。
手袋をつけて服にこすり合わせても手袋の表面は暖かくなります。

何故か?という事になると結構難しいと思います。

ごまかしがあることを前提に説明します。

1.ものは小さい粒から出来ています。
2.温度はその小さい粒の動きの速さで決まります。
3.ものをこすり合わせると、こすり合わせた場所の小さい粒がゆすられる(動きが速くなる)ので温度が上がります。

こすり合わせるだけで、なんで分子を動かせるのかとか、そういう話はちょっと置いておきます。潤滑を加えると本当に難しくなるのでそれも考えないことにします。

ユーザーID:4316710427
皆さん、ありがとうございます
ピルチャード(トピ主)
2018年1月31日 22:38

非常に詳しく書いていただいた理論物理屋さんをはじめ、レスを下さった皆さん、ありがとうございました。
摩擦および摩擦熱というのは、非常にありふれていて当たり前の現象にもかかわらず、その原理、理屈を考えると、意外と複雑で奥が深いということが分かりました。説明するためには少なくともエネルギーの概念(様々な形態、保存則)と分子について分かっていないと、きちんと説明できなさそうですね。あいんしゅたいんさんの言うように「小さい子にはムリ」そうです。
とりあえず、火起こしの動画でも見せて、こういうことも出来るということだけ教えておこうと思います。

なお、「摩擦熱」の例として手と手とこすり合わせる事例を挙げたのは、ちょっと不適切だったかも知れません。ただ、こすって暖かく感じる分の中には間違いなく摩擦熱の効果も入っていると思いますよ。

ユーザーID:7566811809
小学校低学年だと難しいですね
あのね
2018年2月1日 16:18

 仮病するのに体温計をシーツに擦りつけるのは、わたしもやってましたが、あっと言う間に43度にもなって、慌てて下げてましたね。今のデジタル体温計は、そういうのってエラーを出してしまいますよね。世の中、どんだけ仮病で体温計を上げたかってことですよね。体温計開発者様、お疲れ様です。

昔は擦って添加するマッチがあったので、摩擦熱はビジュアルに理解できました。ただし、本質的なこと、ラリアットとフライングボディプレスでしたっけ? あ、タックルでしたね。あれが摩擦熱の原理だと直感的に思いついたのは・・・、自分、小学校4年生だったですね。低学年だと難しいでしょう。

やっぱり物を擦り合わせるのが手っ取り早いですね。温度の上昇が感じられれば良いのですから、熱容量の小さい物が高温になりやすくて簡単です。その意味で、体温計の先端部は良い実験材料でした。

やっちいけませんが、割り箸の先端と学校の机(木製)が最高でした。頑張れば発火点までいきます(だからやっちゃダメだってば)。

 手を擦り合わせた時に熱くなるのが、血流が良くなるからとおっしゃる方がいますが、間違いです。

だって、血流が良くなるだけでは、人体の体温より上の温度にはならないはずですよね?

それが、仮病に使えるほど温度が上昇するのですから(笑い)、摩擦熱による温度上昇が主です。必ず火傷する前に止めますが、50度くらいまでは簡単に出せます。

それから、血流を上げて凍えた手を温めるなら、肩から先をヘリコプターみたいに回転させるのが良いです。遠心力で血圧が上がって、血管が膨れるので、どっと血流があがって温かくなります。

痛いくらいのスピードで手を回さないと効きませんが、手を擦ってもダメなくらい凍えたらお試しあれ。

ユーザーID:2073898258
こすらなくても、合わせるだけでも暖かい
あいんしゅたいん
2018年2月4日 10:51

>ただ、こすって暖かく感じる分の中には間違いなく摩擦熱の効果も入っていると思いますよ。

摩擦熱って、意外なほど少ない(小さい)のです。

暖かく感じるセンサーは、皮膚の表面で外を向いている神経です。
右手の皮膚神経が、外の空気の寒さを感じているときに手を合わせると、左手の温度を感じますよね。
寒いと言っても、内部から血流で温められている手は空気より暖かいことが多いです。
なので、右手は暖かく感じる。
同様に、左手も右手の温かさを感じる。

手をこするために合わせた瞬間にもう暖かく感じているのに、それを気付かないままこすり合わせて、こすったから暖かくなったと誤解している要素は大きいですよ。

もちろんですが、1秒に3回以上くらい速く強くこすり合わせると、摩擦熱は明確に感じられます。

ユーザーID:2985912432
小学生にも分かる説明には比熱を使う
ルンゲクッタ計算機
2018年2月6日 21:44

必要な理論は、
1:摩擦係数と力の法則

2:必要・発生エネルギー=力(摩擦力)×ベクトル方向に対する移動距離

3:エネルギー保存の法則
  運動エネルギー+位置エネルギー+熱エネルギー+化学エネルギー=一定

4:質量と温度と比熱の関係(法則)

ただし、小学生にも分かるのは上記4だけ。

それゆえ、1−3をひっくるめて、
摩擦すれば力が必要であり、それにはエネルギーが必要。
4:そのエネルギー分を暖める物質の質量と比熱で割れば、
上昇温度が分かる。
その分だけ、擦れた部分が加熱される(熱くなる)。

説明終り

ユーザーID:3419674916
摩擦熱は意外と大きいよ
ルンゲクッタ計算機
2018年2月6日 21:52

> 摩擦熱って、意外なほど少ない(小さい)のです。

摩擦熱は意外と大きいよ。

ポリカーボネート製のくし(コーム)の背中側を
畳みに強く押さえつけて、素早く50cm以上を数往復して擦ると、
触れないほどに熱くなります。

ナイロン製のシャツを着て、道路やコンクリートの上を走って転ぶと、
ナイロン繊維が一部溶けて穴が空きます。
(擦りむけての綻びや破れとは明らかに異なる)

> もちろんですが、1秒に3回以上くらい速く強くこすり合わせると、
> 摩擦熱は明確に感じられます。

まったくその通り。

手を強く合わせて、1秒に3回以上くらい速く強くこすり合わせると、
約5秒後には37℃(体温)を超えます。
もっと続ければ、10-15秒後以上では、低温火傷を惹き起こすほど熱くなります。

手が熱く感じる(血行が良くなったり、刺激による錯覚)だけではなく、
その手を頬に当てると、実際にもの凄く熱くなっているのが分かります。

強く速く持続して擦ると、
瞬時に暖かく感じるのは、それは摩擦熱です。
その後しばらく持続して穏やかに暖かく感じるのは、
血行が良くなったせいです。

ユーザーID:3419674916
今も昔も一緒、今の子もやっている
ルンゲクッタ計算機
2018年2月6日 22:02

今時の予測式デジタル体温計の反応は、水銀系よりも素早いよ。

脇の下で36.7℃を表示しているときに、脇を強く締めて、
デジタル体温計を思いっきりピュッと勢いよく引き抜くと、
瞬時に37℃を超えます。38℃を超えることもあります。

特に体温計の超小型センサと先端部の金属部がかなり小さいので、
すなわち熱当量が小さいので、容易に瞬時に温度が上がります。

まぎれも無くこれは摩擦熱です。

うちの子もどこから悪智恵を得たか、学校行きたくない日に、
ときどきそうしてごまかし申告をトライします。
しかし、かつての経験者の親の目バレバレ、ごまかしは通用しません。

親子間で摩擦熱が生じます。

ユーザーID:3419674916
レスします
あのね
2018年2月7日 13:13

>こすったから暖かくなったと誤解している要素は大きいですよ。

 横レスですけど・・・あくまで、このトピは子供さん達に「摩擦熱って?」という疑問に答えるのが目的ですから、少なくともお母さん方には、正しく説明しないとなりません。どうか、誤解無きよう。

 一応、高校の物理程度の知識で理解できるようにお話しします。

摩擦熱は、擦る時のエネルギーが熱に変換された結果です。高校物理で教わりますが、エネルギーは力×距離と等価です。摩擦に逆らってFの力で、Lだけ擦って動いたら、発生するエネルギーEは

E=F×L

です。
 次に摩擦係数を簡単に1.0としておきますと、Fは押しつけてる力と等しいです。摩擦のエネルギーで体積V、比熱pの物体が加熱されると、上がる温度Tは、

T=E/(Vp)

ですよね?。

 今、両手のひらを互いに1kgwの力で押しつけながら(摩擦係数を1として)、互い合計1mの距離、ごしごししたとします。素早く擦ることにして、手のひらの表面1グラム(1cc)程度の部分が互いに加熱されるとし、比熱を4.2×10^3(J/kg)とします。

 計算すると、1kgWの1mでの温度上昇は、+2度くらいになりませんか? 子供が風邪引いて38度なら、触って分かりますよね。

男性なら10キロくらいの力で、両手を押し合わせて擦るのは簡単です。これなら20度くらい上がるでしょう。こうなると熱くて続けられなくなると思います。

如何でしょうか?

ユーザーID:2073898258
基本は説明でなくて体験だと思うけどね
おじさん
2018年2月9日 21:16

自分の子供のころ(小学生のころ)を思い出してみるとね、
まあ、やんちゃな悪戯小僧が集まって痛い経験をして知っていったものだ。

これは決してお勧めしないし、させてはいけないだろうけど
自分の子供のころの経験で『摩擦熱』を実感したのは危険な遊びだったからね。

ママチャリのような自転車でスタンドを立てたままペダルを漕いで後輪を空回りさせる。
空回りしているタイヤに腕白小僧が紙片とかを当てて「ウィ〜〜ン」って摩擦音をだして
遊んでいたりする。そうするとその紙片がとても熱くなってくる。

そのうち指で紙をタイヤに直接押し付けようとして「あちっ」ってなって
馬鹿な遊びをした代償として軽いやけどのような症状となって公園の水道で指を冷やす…

こんなことから学んだ気がするな。

そして学校などでもジャージの下をはいて、体育館で体育の授業をするとき。
授業前に体育館の中で走りまわっていたりするのだが、
そのうち「スライディング合戦」とか銘打って何回もみんながスライディングする。
(大人になって考えれば、それの何が楽しいのか自分でもわからなくなったが)
すると、ジャージが摩擦熱で溶けたような状況になったりするわけです。

その場で気づく場合もあるし、家に持ち帰って
ジャージが溶けたような状態になっているのを洗濯しようとした母親に発見されて
ちょっと叱られたりする。あ〜あの時だって子供ながらに気付くんだよね。

私は幼いころに摩擦熱というものを何となく理解したのはそういった経験ですね。
それ以上を知りたいなんて思うほど賢くなかったから単に叱られたくないだけ。

トピ主さんのお子様のような好奇心には向かない例かな。

ユーザーID:9999233560
 
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