設計者に必要な知識
2．設計者に必要な自然科学
2．1．自然科学の必要性
自然科学は、自然現象の中にある法則性を解き明かす学問で、まさに“Science”です。自然科学には主に
物理学 / 化学 / 生物学
といったものが挙げられ、ひとくくりに言えば“理科”そのものです。 これに“数学”を加えたものを自然科学といいます（数学は自然科学と区別されるのが一般的なようですが、本サイトではあえて区別せずまとめて“数学+理科=自然科学”とします）。自然科学は、先人たちの経験、知識、考察がまとめられ、数多くの実証と、大多数の人たちから普遍的な理論として認められたものです。 自然科学の理論によって、私たちは数少ない法則や定理をもとに様々な現象の予測が可能となります。 従って、自然科学で得られた理論をうまく活用することで、私たちはこれから作り上げる製品・システムのもたらす結果・効果を予測することが可能になります。 また残念ながら、作り上げようとしたシステムが実現不可能であることを事前に知ることも可能です。 それとは別に、市場で生じたシステムの不具合発生の原因が何によるものか？を推察することも可能です。
このように、私たちは自然科学を上手く用いることで、“未来の予測”と“過去の推察”の両方を行うことが可能になります。
もう少し具体的に言うと、製品・システムを具現化する際、とりあえずまずは作ってみよう、ということで過去の経験や知識のみで行ってしまうことがあります。 ですが、それは現実的ではありません。 なぜなら、企業は製品を社会に提供する以上、製品の使用期間中に起きる様々な事象に対して安全性や信頼性を保証しなければならないからです。 つまり未来の事象に対して、製品・システムの安全性や信頼性を担保する必要があるわけです。 この未来の事象への保証に、自然科学が持つ法則性の威力が発揮されることになります。 また、市場で発生したトラブル等を調査するには、すでに起きてしまった過去の事象を壊れた製品や聞き取り調査から推察しなければなりません。 この場合には、過去の事象の推察に自然科学の威力が発揮されることになります。
自然科学はものづくりの単なる道具にすぎない、と考える人を見かけますが、決してそんなに軽いものではありません。 だからといって決してハードルの高いものでもありません。 なぜなら、私たちは日ごろから自然現象と対峙して生活しているからです。 もっと言えば私たちは自然の一部でもあるからです。 従って、興味のある範囲で楽しみながら自然科学についてこと学ぶことが最も大事なことだと考えます。
2．2．押さえておきたい自然科学のポイント
まずは汎用的な話から始めます。数学の“集合論”は、日常生活から仕事まで非常に広い範囲で活用できます。 集合論の特徴をざっくり言えば、
- 対象の範囲を明確に絞る
- 似た者同士をうまく分類して一つの集合をつくる
- 分類した集合間の関係性を知る
- 部屋の中の本を片付ける → 対象の範囲を明確に絞る
- 教科書、参考書、漫画、雑誌、その他の本などに分類する → 似た者同士をうまく分類して一つの集合をつくる
- 教科書と参考書は机の棚に、漫画はクローゼットの中に、その他の本は本棚に片づける → 分類した集合間の関係性を知る
例えば、製品・システムのターゲットを絞ることは、対象の範囲を明確に絞ることと同じです。 製品・システムが持つ複数の機能を分類して使いやすいようにまとめることは、似た者同士を分類して一つの集合を作ることと同じです。 それぞれの機能は関連性に応じて他の機能にすぐに移れるようボタンやアイコンが表示されていることは、分類した集合間の関係性を知ることと同じです。 このように、いろいろな観点で集合論を活用してみることをお勧めします。
なお、集合論のお手軽な書籍を以下に紹介しておきますので参考にしてみてください。
次に、本サイトは機械設計者がメインの対象となりますので、機械設計に関する自然科学の押さえておきたいポイントを提案していきます。
機械は物体によって構成され、その機能は機械の運動によって成し遂げられるのが一般的です。 従って、機械設計では“力学”が特に重要になります。 力学とは「物体の運動に関する法則」をまとめたものです。 機械を動かすために必要な動力（エネルギー）はどの程度必要か？、目的の速さで機械を動かすにはどの程度の力を加えればよいか？などの設計計算を行う際に、力学の知識がなければどうにもなりません。 また、ねじのような単純な部品でも、ねじ面の摩擦力と、ねじが伸びるときに発生する復元力（軸力と呼びます）との関係から、ねじは緩むかどうか？の判断も力学を用いた計算で可能となります。 このように、製品・システムの基本要求を満足できるかどうか？を事前に検討するには力学が必要不可欠であることが分かります。 以下に力学の分かりやすい参考書を紹介します。
また、機械に力を加えれば変形します。その変形を予測するためには連続体力学（特に弾性理論）が必要になります。 これを工学的に言えば“材料力学”にあたります。 力学は物体を剛体と考えてその挙動を算出するのに対し、材料力学では物体の変形度合いから破壊に至るまでを算出するものです。 ですが、材料力学自体は力学をベースに構築されていますので、結局は力学をまずは押さえておかなければなりません。 以下に材料力学（連続体力学：弾性理論）の分かりやすい参考書を紹介します。
水道や扇風機、エンジンなどといった流体を扱う機械も世の中には数多く存在します。 また流体の抵抗が問題となる車や飛行機、ロケットなどといったものもあります。 従って、設計の対象によっては“流体力学”が必要になる場合があります。 流体は難しく、特に乱流については未解明な事象が数多く残っています。 従って、理論だけでシステムの成立性を担保するのは非常に困難です。 ですが、その基本法則はニュートンの運動の法則から成り立っています。 結局は力学を学んでおく必要があります。 以下に流体力学の分かりやすい参考書を紹介します。
流体で挙がったエンジンは、ガスの温度上昇による体積膨張を利用してエネルギーを抽出する機械です。 また、機械を動かせばその摩擦によって熱が発生し、焼き付きを起こすことがあります。 その他機械が高温化することによる不具合発生を防ぐため、機械を冷却する必要があります。 このような内容に対しては“熱力学”が必要になります。 熱力学は、エネルギーの収支勘定、仕事として抽出できる限界等を知る上で必要になります。 以下に熱力学の分かりやすい書籍を紹介します。
以上のように力学を基本として、設計対象に合わせて関連した分野を追加で学んでいく必要があります。
上記以外にも、ものづくりの過程で様々な計測を行う必要があります。 非接触で行う計測のほとんどが電磁気的な信号を利用します。 また計測データの歪みやノイズの影響等を取り除かなくてはなりません。 そのような場合には、電磁気学を学んでおく必要があります。 以下に電磁気学の分かりやすい参考書を紹介します。
ところで、上記の計算を行う上で数学の力を借りなければどうにもなりません。 特に速度、加速度についてはベクトルと微積分の概念を理解する必要があります。 機械的な共振が発生した場合は、その振動ピークがどこに発生しているか？を特定するためにフーリエ変換が必要になる場合があります。 また、熱力学では偏微分を理解しておく必要があります（大したことはありませんが）。 材料力学や流体力学は数学的に難解な部分が多々出てきます（ただし、それらをすべて理解する必要は実用上ありません）。 上記内容を端的にまとめられているのが“物理数学”という分野です。 簡単に言えば、物理計算に必要となる数学のエッセンスを抜き出してまとめたもの、と考えてもらえれば十分です。 以下に物理数学の分かりやすい参考書を紹介します。
最後に、公差設定においても確率的な概念が必要となります（これについては公差の考え方を参照ください）。工程管理能力の検証にも確率統計の概念が必要となります。 また、ものつくりの過程で様々なデータ分析を行います。 その際、そのデータの妥当性（信頼性）を確率的に評価する必要があります（そのデータの信頼度はどの程度あるか？）。 さらに、ものづくりの過程で不具合が発生し、どうしてもその原因が特定できない場合は、統計学の力を借りて相関関係から何かしらの法則性を見出す方法をとることがあります。 また、 従って、確率統計の知識が必要になります。 以下に確率統計の分かりやすい参考書を紹介します。
ざっと見ただけでも、機械設計者は非常に幅広い知識を求められることが分かります。 これらすべてを学ばなくてはならないわけではありません。 必要に応じて取捨選択をすればよいのですが、少なくとも“力学”と“確率統計”だけはきっちり抑えておく必要がある、と考えます。
2．3．その他知っておきたい自然科学
これまでは主に、数学と物理学をメインに話を進めてきました。 ですが実際は、化学や生物学に対する知識を持つことも重要になります。例えば、機械設計においては、構成品の材料選択が重要な仕事になります。 この材料選択では、材料の性質についてより詳しく知っておくほうが良いことは明らかでしょう。 材料の性質は、材料を構成する元素の化学的性質に依存しています。 よって、化学的な知識を持ち合わせることで、知らない材料に出くわしてもある程度の推察が可能になるはずです。
また、機械にはそれぞれの用途に合わせた構造を持ち合わせています。 実は、生物もまたそれぞれの進化の過程で得られた構造を持っています。 非常に長い年月をかけて、自然環境に最適な形で適合するよう進化した結果を拝借して機械に取り入れることは、理にかなった方法だと考えられます（例えばサメ肌を利用したスイムスーツとか）。 生物からは非常に多くのことを学ぶことができるはずです。
ここでは、次のような本を紹介しておきます。
