押すだけでは、送り続けられない
ふいごは、袋のような部分を広げたり縮めたりして空気を動かす道具です。ここでは入口と出口に一つずつ逆止弁が付いた模型を考えます。袋を縮めれば中の空気を押し出せますが、同じ穴だけで吸ったり吐いたりすると、出口側の空気まで吸い戻すことがあります。一方向に送り続けるには、空気が通れる向きを弁でそろえることが大切です。火を強くする道具として名前を知っていても、問題では火の話より先に、空気の経路を矢印で追ってください。
袋を広げると、内部の圧力が外より小さくなる段階が生まれます。このとき外から内へ通す入口の弁が開き、内から外へ通す出口の弁は閉じます。袋を縮めたときには開閉が入れ替わります。入口をふさいで出口を開くので、取り込んだ空気が送り先へ進みます。弁を開け閉めする係がいるのではなく、両側の圧力の違いに応じて動く模型です。
袋の大きさと送った量を混同しない
最大で500mL入る袋を使っても、一回で500mLを送るとは限りません。広げた状態が500mL、縮めた状態が200mLなら、袋の体積の変化は300mLです。さらに空気が圧縮されたり、すき間から漏れたり、弁の開く時期がずれたりします。実際の送風量を問われたら、袋の最大体積だけでなく、測定された量や設問で与えられた条件が必要です。
空気の体積を比べるときは、圧力と温度もそろえます。圧縮した袋の中の100mLと、大気中へ出た100mLは、そのまま空気の量が同じとは言えません。以下の例題では、送風量をすべて外気と同じ圧力・温度に直した値で表します。この断りを読むだけで、容器の体積を足す問題なのか、実際の送風量を積み重ねる問題なのかが明確になります。
例題1｜開く弁を選ぶ
入口の弁Aは外から袋へ、出口の弁Bは袋から管へ通す向きです。袋を広げて吸気しているとき、AとBはそれぞれ開きますか、閉じますか。送る管を袋の反対側へ付け替えても、答えは変わりますか。
答え・解説：Aは開き、Bは閉じます。管の図上の左右を変えても、通せる向きが同じなら答えは変わりません。袋の体積が増えたため空気を取り入れる場面です。左右や弁の記号を丸暗記せず、外→袋という流れに合う向きを選びます。Bまで開けば送り先の空気を吸い戻せるので、一方向の送風を説明できなくなります。
例題2｜必要な操作回数
一回の縮小で袋の体積は300mL減ります。ただし、外気と同じ条件で測った送風量は、その80％でした。体積の小さな流量計を通して合計2.4Lの空気を送りたいとき、縮める操作は何回必要ですか。最初の吸気は済んでいるものとします。
答え・解説：一回に送るのは300×0.8＝240mLです。2.4Lを2400mLに直し、2400÷240＝10回と求めます。80％を最後に掛けて8回とするのは逆です。漏れなどで一回分が小さくなるなら、同じ合計を送る回数は多くなります。広げる操作と縮める操作を合わせて20回と答えないよう、設問が数える動作も確認します。
故障を考えると仕組みが分かる
入口の弁が閉じなくなった場合、押した空気の一部は入口へ逃げます。出口の流量が小さくなっても、袋を押す力が弱かったとすぐに決めることはできません。出口弁が閉じない場合には、袋を広げるときに送り先からの逆流が起こり得ます。二つの故障を同じ「空気が漏れる」で済ませず、どの操作でどちらへ流れるかを書き分けましょう。
流量を比べる実験なら、同じ袋を使い、最大・最小の体積、操作する速さ、送り先の管の長さをそろえます。管を細くした実験と弁を交換した実験を一緒に比べると、結果を弁だけの効果とは言えません。手作り装置の成績より、空気が通る条件を図に説明できることが中学入試の読み取りにつながります。
弁を逆に付けた模型を頭の中で動かす
入口Aだけを逆向きに付けたらどうなるでしょう。広げる段階で本来ほしい外からの空気が入りにくくなり、縮める段階では入口へ空気を押し戻せる向きになります。だから、出口で風が弱いという観察だけでは、袋に穴が開いた故障と区別できません。入口に軽い紙片を近付けたとき、押す段階で外向きに動くかなど、流れの向きを判定する追加の資料があると原因を絞れます。流量の一つの数字から内部の不具合をすべて当てようとしないことが重要です。
出口Bだけを逆にした場合には、広げるときに出口から吸い、縮めるときに出口へ出せない向きです。両方を逆にすれば、道具全体が逆方向へ送る構成になり得ます。どの弁を変えたかで予想が異なるため、弁の位置と向きは一組の情報として記入します。この考え方は電気回路のスイッチとは違います。弁は単なる開閉の記号ではなく、圧力の向きによって開くかどうかが変わる装置です。
さらに、袋を一度縮めた後そのまま押さえていても、一定の風が永久に出るわけではありません。押し縮められる体積には限りがあり、空気を補給する吸気の段階が必要です。ずっと強く押すことと、繰り返して空気を送ることは違います。時間のグラフを描くなら、吐き出す区間と吸い込む区間を交互に分けます。一分間の送風量が同じ二つの装置でも、風が連続するか脈打つかまでは、その合計だけでは決まりません。平均流量と瞬間の出方を区別する見方まで持てると、ポンプを扱う文章が具体的に読めます。