パスカルの原理を元に考えられた水害避難室とは

小さな力を大きな力に変える

美容室や歯医者で、電動椅子に座った経験はありますか？
ペダルを踏んだだけで、自分の体ごと簡単に椅子が上下しますよね。

あの椅子には、「パスカルの原理」を応用した電動油圧方式の技術が使われています。

少し踏み込む小さな足の力を使って、人が乗った椅子まるまる容易に動かすことができる技術です。

電動油圧方式は、工業の分野や手術台を動かす医療の分野など、さまざまな分野で活用されています。

パスカルの原理とは

まず、パスカルの原理を説明する前に、圧力について考えてみます。

圧力

圧力とは、単位面積（1ｍ²）あたりに働く力のことです。

単位はPa（パスカル）で表します。1Paは、1ｍ²あたりに1N（ニュートン）の力が働いていることになります。

パスカルの原理

今野製作所

上の図を使ってパスカルの原理について説明します。

まず、ピストンAは面積1cm²、ピストンBは面積4cm²なので、Bの面積はAの面積は4倍です。
それぞれのピストンの上におもりを載せていきます。

Aには10Kgのおもりを載せた時、大きいシリンダーBには40Kgのおもりを載せると、図のようにつり合います。

このように、密閉した液体や気体の一部に圧力を加える（おもりを載せることで外から力を加える）と、その力は容器内のすべての点で同じ大きさの力が伝えられることを、パスカルの原理と言います。

図のように、ピストンAを40ｍｍ押し下げる力を加えると、ピストンA下面に圧力Pが発生します。パスカルの原理より、連結したシリンダー内の液体を介して、ピストンBの下面に同じ強さの圧力Pが伝わります。よって、ピストンBは10ｍｍだけ上昇します。

つまり、シリンダーAに載せたおもり10Kgは、シリンダーBに載せた4倍にもなる40kgのおもりを支えることができるのです。小面積に加わる小さい力は、大面積にかかる大きい力と釣り合っています。

電動油圧方式はこの原理を応用しています。
小さな力で、らくらくと椅子を持ち上げているのです。

引用

こちらの動画は、パスカルの原理を理解できる実験を見ることができ、参考になりました。
5分程度の動画です。

パスカルの原理と特許明細書

「パスカルの原理」で明細書を検索してみました。
自動車や機械で活用されている原理がほとんどでした。
様々な特許の中で、「水害避難」のキーワードで見つけた特許があったので取り上げてみたいと思います。

異常気象で水害は割と身近な被害になっているので気になります。

【特許番号】特許第5209140号(P5209140)
【登録日】平成25年3月1日(2013.3.1)
【発行日】平成25年6月12日(2013.6.12)
【発明の名称】水害避難室
【特許権者】
【氏名又は名称】日本セイリングハーバー株式会社

企業名で調べると、津波対策用の地下シェルターを建築している会社のようです。
このシェルターは、ドアのないシェルターで、あえて水を流しこむ仕組みになっているようです。

この仕組みに、パスカルの原理が生かされていました。

【０００５】
地下に設置される避難室は特許文献２をはじめ多数存在するが、水が地下の避難空間に入って避難室全体を浸してしまったら使用不可能になる場合が多く、これを防止するために出入口に鉄鋼製ハッチなどを取り付けるといざ避難という際に重いハッチを開閉しなければならないという負荷が生じる。

【００５０】
津波が来そうだという情報を受けたら、避難者は必要最低限のものを持って庭に出る。入口扉４０を開けて、進入口４から水害避難室２内に入り、進入階段６を下りて行く。エントランス１２に入り、開口部１４をくぐって避難空間２０の床部１６に入る。エントランス１２と床部１６とはほぼ同一の高さであるため、緊急時に足の不自由な人でもつまづきにくく移動しやすい。進入階段６は車椅子用にスロープで構成されていてもよく、エントランス１２と床部１６とはほぼ同一の高さであるため、車椅子でも容易に移動できる。

【００５１】
避難空間２０の床部１６で待機している間、津波が襲ってきたとする。水流が自宅の庭に来て柵４２を破壊し、水が進入口４から水害避難室２内へ流入する。流入した水は進入階段６を勢いよく下っていく。この時点で踊り場８の側面扉１０は閉まっているため、側面扉１０から避難空間２０へは水は入らない。進入階段６を下った水はエントランス１２に至り、エントランス１２と床部１６との隙間に入って開口部１４の下部から床下空間１８に浸入する。水が少しでも床下空間１８に浸入するとフロート３０が浮上するので、開口部１４から流入する水は床部１６上に入らなくなる。
【００５２】
床下空間１８に次々に入った水により、フロート３０が浮き上がってきて床部１６が上昇する。フロート３０が開口部１４の上端部の高さまで浮き上がると、いくら水が進入口４から水害避難室２内に流入しても避難空間２０には流入せず、フロート３０も開口部１４の上端部以上には浮き上がらない。従って、床部１６もそれ以上は上昇しない。図４はこの位置を示したものである。これは、パスカルの原理によるものである。よって、避難空間２０が空気空間として保たれ、津波の水が引くまでのある程度の時間（例えば数時間）は人が待機することができる。避難空間２０には床部１６が前述した位置まで上昇して内部に密閉された空気空間を有するため浮力が働くが、避難空間２０の内壁３２は外壁２８にアンカーボルトにより固定されているため、浮上しない。

フロートは浮体式の構造物のことです。水が侵入してきても、このフロートのおかげで水が避難室に入ることなく、床部が上昇していくようです。