消防設備士 乙種6類「基礎的知識(機械)」一問一答(全38問)

正解：b. モーメントは力と支点から作用線までの垂直距離の積である

モーメント(力のモーメント)は「力の大きさ×支点から作用線までの垂直距離」で定義され、回転させようとする働きの大きさを表す。距離には関係しないとする記述は定義そのものに反する。荷重の重さに比例し支点位置には無関係とする記述も、支点位置(=距離)を無視しており誤り。モーメントの単位はN・m(ニュートンメートル)であり、単位をニュートンとする記述は力の単位にすぎず誤り。

正解：c. 位置エネルギーは、物体の高さに関係なく一定である

位置エネルギーは物体の質量・重力加速度・基準面からの高さの積で表され、高さが変化すれば位置エネルギーも変化するため、高さに関係なく一定とする記述は誤り。仕事は力と移動距離の積であり単位はジュールで正しい。運動エネルギーは速さの二乗に比例して大きくなるため、速さが大きいほど大きくなるという記述も正しい。

正解：d. 動滑車を1個用いると、荷重を持ち上げるのに必要な力は理論上半分になる

動滑車を1個使うと、荷重を2本のロープで支える形になるため、理論上必要な力は半分で済む(その代わり引く距離は2倍になる)。定滑車は力の大きさを変えず、力の向きを変えるためのものであり、定滑車では力が小さくなるが向きは変えられないとする記述と、定滑車を力の大きさを軽減する代表的な装置とする記述は、いずれも内容が逆である。動滑車は力を軽減できるため、動滑車は向きを変えられるが力の大きさは軽減できないとする記述も誤り。

正解：a. 気体の体積が変化しても、圧力と絶対温度の関係は常に無関係である

ボイル・シャルルの法則は、圧力・体積・絶対温度の三者が(圧力×体積)/絶対温度=一定という関係で結びついており、圧力と絶対温度は体積を介して密接に関係するため「常に無関係」とする記述は誤り。温度が一定のとき体積は圧力に反比例するとする記述はボイルの法則、圧力が一定のとき体積は絶対温度に比例するとする記述はシャルルの法則の内容として正しく、圧力×体積を絶対温度で割った値が一定とする記述はそれらを統合した式として正しい。

正解：a. 応力とは単位面積当たりに作用する内力であり、荷重を断面積で除して求められる

応力は材料内部に生じる単位面積当たりの力であり、荷重(力)を断面積で除して求められるため正しい。ひずみは変形量(伸び)を元の長さで除した値であり無次元量であるため、ひずみの単位が長さの単位で表されるとする記述は誤り。応力の単位は力/面積(N/mm²等)であり、応力の単位を力の単位と同じニュートンとする記述も誤り。ひずみは変形量と元の長さの比であるため、ひずみが元の長さに関係しないとする記述も誤り。

正解：d. フックの法則は変形が弾性限度を超えた場合にも成り立つ

フックの法則が成り立つのは材料が弾性変形する範囲、すなわち弾性限度内に限られる。弾性限度を超えると応力とひずみは比例関係を失い塑性変形が生じるため、弾性限度を超えても成り立つという記述は誤り。応力とひずみの比例関係、その比例定数がヤング率であること、ばねの伸びと荷重の関係(ばね定数)にも同様の考え方が適用できることはいずれも正しい。

正解：a. 許容応力は、基準強さを安全率で除して求められる値である

許容応力は、材料が安全に耐えられるとみなす応力であり、基準強さ(引張強さなど)を安全率で除して求められる。安全率は基準強さを許容応力で除した値であり通常は一より大きいため、安全率を許容応力÷基準強さとする記述や、安全率は常に一より小さい値をとるとする記述は誤り。許容応力は安全を見込んで基準強さより小さく設定されるため、許容応力を基準強さよりも大きく設定される値とする記述も誤り。

正解：a. 炭素鋼は炭素含有量にかかわらず、常に同一の機械的性質を示す

炭素鋼は鉄に炭素を含む合金であり、炭素含有量の違いによって硬さ・強さ・延性・じん性などの機械的性質が大きく変化する。したがって炭素含有量にかかわらず常に同一の性質を示すという記述は明らかに誤りである。一般に炭素量が増えると硬さ・強さは増す一方、延性やじん性は低下する傾向があり、炭素含有量が増えるほど硬さや引張強さが増すとする記述、延性やじん性が低下するとする記述、及び炭素鋼を鉄と炭素を主成分とし炭素含有量によって性質が変化する合金とする記述は、いずれも正しい内容である。

正解：a. 鋳鉄は炭素鋼に比べて炭素含有量が多く、鋳造性に優れるが展延性には乏しい

鋳鉄は炭素鋼よりも炭素含有量が多く、溶融時の流動性がよく鋳造しやすい一方、脆く展延性に乏しいという特徴を持ち、この記述は正しい。ステンレス鋼はクロムを含むことで表面に不動態被膜を形成し耐食性を得るため、鉄にクロムを含まない合金であるとする記述は誤り。黄銅は銅と亜鉛の合金、青銅は銅とすずの合金であり、黄銅を銅とすず、青銅を銅と亜鉛を主体とする合金とする記述は名称が入れ替わっており誤り。青銅は耐食性・耐摩耗性に優れることで知られており、青銅が黄銅よりも耐食性・耐摩耗性に劣るとする記述も誤り。

正解：c. 鋼を高温に加熱した後、水や油などで急冷し硬さを増す処理である

焼入れは鋼を適切な高温まで加熱した後、水や油で急冷することで硬さと強さを増す熱処理であり、この記述は正しい。ゆっくり冷却して内部応力を除去する処理は焼なましの説明であるため、炉内でゆっくり冷却し内部応力を除去する処理とする記述は誤り。焼入れ後の鋼は硬くなる反面、脆くなりじん性が低下する傾向があるため、焼入れした鋼はじん性が向上し脆さが減少するとする記述は誤り。焼入れは硬さを増す処理であり、主に材料を軟らかくすることを目的とするとの記述も誤り。

正解：b. 焼戻しは焼入れを行う前段階として、材料の硬さを事前に高めるために行う処理である

焼戻しは焼入れによって硬く脆くなった鋼を、再び適度な温度に加熱・保持した後冷却することで、じん性を回復させ脆さを緩和する処理であり、必ず焼入れの後に行う。焼戻しを焼入れの前段階として材料の硬さを事前に高めるために行う処理とする記述は、工程の順序自体が誤っている。焼ならしは加熱後大気中で放冷し組織を均一・微細化する処理であるとする記述は正しく、焼入れ後に焼戻しを行うことで硬さとじん性のバランスをとることができるとする記述も正しい。

正解：c. ばね定数とは、ばねに加えた荷重をそのときの伸び(たわみ)で除した値である

ばね定数は、ばねに加えた荷重をそのときの伸びまたは縮み(たわみ量)で除した値であり、ばねの硬さ(単位変形当たりに必要な力)を表す指標として正しい。ねじの呼び径は一般におねじの外径(山の径)で表されるため、呼び径をおねじの谷の径で表すとする記述は誤り。コイルばねは巻数が多いほど全体として伸びやすくなり、ばね定数はむしろ小さくなる傾向があるため、巻数が多いほどばね定数が大きくなるとする記述は誤り。振動などによるゆるみを防ぐため、ばね座金やダブルナットなどのゆるみ止め機構が用いられることがあり、ゆるみ止めの機構は一切必要とされないとする記述も誤り。

正解：d. 材料を軸方向に引き伸ばすように働く荷重を引張荷重という

材料を軸方向に引き伸ばす向きに働く荷重を引張荷重といい、記述は正しい。押し縮める向きに働く荷重は圧縮荷重であり、せん断荷重ではない。断面を軸に対し平行方向にずらすように働く荷重はせん断荷重であり、圧縮荷重ではない。軸のまわりにねじるように働く荷重はねじり荷重であり、曲げ荷重ではない。曲げ荷重は部材を湾曲させるように働く荷重である。

正解：c. 疲労破壊

引張と圧縮などが繰り返し作用することで、静的な破壊強さより小さい応力でも材料が破壊に至る現象を疲労破壊という。脆性破壊は延性の乏しい材料が急激に破断する現象で、繰返し荷重特有の現象ではない。クリープ破壊は一定の高い応力を長時間持続的に受け続けることで生じる現象であり、繰返し荷重による破壊ではない。延性破壊は大きな塑性変形を伴う破壊であり、繰返し荷重固有の現象を表す語ではない。

正解：c. クリープは荷重が繰り返し変動することで生じる疲労現象の一種である

クリープは一定の荷重(応力)を長時間持続的に加え続けたときに、時間経過とともにひずみが徐々に増大していく現象であり、そのように述べる記述は正しい。クリープは高温下で顕著に現れることが知られており、主に高温環境下で顕著に現れるとする記述も正しい。クリープは荷重が変動せず一定に保たれた状態で進行する現象であり、繰返し荷重による疲労とは発生の仕組みが異なるため、荷重が繰り返し変動することで生じる疲労現象の一種であるとする記述が誤りである。応力が一定であってもひずみが時間とともに進行し得るとする記述は正しい。

正解：c. 絶対圧力は、ゲージ圧力に大気圧を加えた値に等しい

絶対圧力はゲージ圧力に大気圧を加えた値に等しく、そのように述べる記述が正しい。絶対圧力は完全真空を基準の零として測る圧力であり、大気圧を基準とするものではないため、絶対圧力を大気圧基準の零で測るとする記述は誤り。ゲージ圧力は大気圧を基準の零として測る圧力であり、完全真空を基準とするものではないため、ゲージ圧力を完全真空基準の零で測るとする記述も誤り。ゲージ圧力が絶対圧力に大気圧を加えた値に等しいとする記述は、絶対圧力とゲージ圧力の関係が逆であり誤りである。

正解：d. 仕事率は、仕事の総量に要した時間を掛けた値である

仕事率は単位時間当たりになされる仕事の量であり、そのように定義する記述は正しい。仕事率の単位にはワット(W)が用いられ、ワットを単位とする記述も正しい。同じ仕事量でも所要時間が短いほど仕事率は大きくなるため、より短い時間で行うほど仕事率が大きくなるとする記述も正しい。仕事率は仕事の総量を要した時間で割ることで求められるのであり、仕事の総量に要した時間を掛けた値であるとする記述が誤りである。

正解：b. 力の三要素のうち、作用点は力の効果に一切影響を与えない

力の三要素は大きさ・向き・作用点であり、いずれも力が物体に与える効果を決定する要素である。作用点が変われば回転効果(モーメント)等が変化し得るため、作用点が効果に一切影響を与えないとする記述は誤りであり、これが正解となる。大きさ・向き・作用点がそれぞれ効果を左右するという他の3つの記述は正しい内容である。

正解：b. 2つの力を隣り合う2辺とする平行四辺形をつくり、その対角線が合力を表す

一直線上にない2つの力は、それぞれを2辺とする平行四辺形を作図し、その対角線として合力を求めることができる(平行四辺形の法則)。合力の大きさは2力のなす角度によって変化し、単純な和に等しくなるのは2力が同一直線上・同一方向のときに限られるため誤り。合力の向きは角の二等分線と一致するとは限らないため誤り。一直線上にない力も合成できるため、常に別々に扱うという記述も誤りである。

正解：a. 物体の安定性は、質量の大小のみで決まり、重心の高さや底面の広さとは無関係である

物体の安定性は重心の高さや底面(支持面)の広さによって大きく左右され、質量の大小のみで決まるものではないため、この記述は誤りであり正解となる。重心は物体各部に働く重力の合力の作用点とみなせる点であるとする記述は正しい。底面積が広く重心が低いほど安定性が高いという関係、および重心からの鉛直線が支持面の外に出ると倒れやすくなるという関係もいずれも正しい内容である。

正解：b. 最大静止摩擦力の大きさは、接触面に垂直に働く力(垂直抗力)に比例する

最大静止摩擦力の大きさは、接触面の垂直抗力にほぼ比例し、その比例定数を静止摩擦係数という。摩擦係数は接触する2つの面の材質や状態によって定まる値であり、物体の質量によって定まるものではないため誤り。一般に動摩擦力は最大静止摩擦力より小さいため、動摩擦力の方が大きいとする記述は誤りである。摩擦力は接触面積にはほとんど関係せず、垂直抗力に依存するとされるため、面積に比例して大きくなるという記述も誤りである。

正解：a. 物体に生じる加速度の大きさは、働く力の大きさに関係なく常に一定である

運動の第二法則(運動方程式)により、物体に生じる加速度は働く力の大きさに比例し、質量に反比例するため、力の大きさに関係なく常に一定であるという記述は誤りであり、これが正解である。速度が単位時間当たりの位置の変化であり向きを持つ量であるとする記述、加速度が単位時間当たりの速度の変化であるとする記述はいずれも正しい。外力が働かなければ物体はその運動状態を維持するというのは慣性の法則(運動の第一法則)であり正しい内容である。

正解：b. 圧力の大きさは力の作用する面積に関係なく、力の大きさのみによって定まる

圧力は単位面積当たりに作用する力であり、同じ力でも作用する面積によって圧力の大きさは変化する(面積が小さいほど圧力は大きくなる)ため、面積に関係なく力の大きさのみで定まるとする記述は誤りであり、これが正解となる。圧力の定義、パスカルの単位の意味(1Pa=1N/m²)、パスカルの原理の内容はいずれも正しい記述である。

正解：b. ゲージ圧は大気圧を基準とした圧力で、絶対圧は大気圧を加えた圧力である

ゲージ圧(計器圧力)は大気圧を基準(ゼロ)として測定した圧力であり、絶対圧はこれに大気圧を加えた値、すなわち真空を基準とした圧力に相当する。したがって、ゲージ圧を大気圧基準・絶対圧をそれに大気圧を加えた圧力とする記述が正しい。絶対圧を大気圧を差し引いた圧力とし、ゲージ圧を真空を基準とした圧力とする記述は基準が入れ替わっており誤りである。大気圧は標高や気象条件によって変動するため、場所や高度にかかわらず常に一定とする記述は誤り。ゲージ圧と絶対圧は基準点が異なるため通常同じ値にはならず、両者が常に同じ値を示すとする記述も誤りである。

正解：d. 密度とは物質の単位体積当たりの質量をいい、比重とは基準となる物質(通常は4℃の水)との密度の比をいう

密度は単位体積当たりの質量(kg/m³等)で表され、比重は基準物質(通常4℃の水)の密度に対する当該物質の密度の比であり無次元の量である。したがって密度が無次元で比重に単位が付くとする記述は逆であり誤り。比重が1より小さい物質は水より軽いため水に浮く性質を持ち、沈むとする記述は誤りである。密度は単位を持つ量、比重は無次元の比であり、数値も基準の取り方により一致するとは限らないため、区別不要とする記述も誤りである。

正解：c. 引張強さとは、材料が破断する瞬間に生じている応力の値をいう

引張強さは、試験片が破断するまでの間に記録された最大の応力(最大荷重を最初の断面積で除した値)をいい、破断する瞬間に生じている応力の値ではないため、この記述は誤りであり正解となる。比例限度は応力とひずみが比例関係を保てる限界の応力であるとする記述、弾性限度は荷重除去後に永久ひずみを残さず復元できる限界であるとする記述、降伏点は応力がほぼ一定のままひずみが急増し始める点であるとする記述は、いずれも軟鋼の応力ひずみ線図の説明として正しい。

正解：c. はりに荷重が作用すると、断面には曲げモーメントとせん断力が生じる

はりに荷重が作用すると、その断面には荷重を支えるための曲げモーメントとせん断力が生じる。単純支持はりの中央に集中荷重を加えた場合、曲げモーメントは荷重点(中央)で最大となり、支点位置ではゼロとなるため、曲げモーメントが支点位置で最大となるとする記述は誤り。曲げ応力は断面内で一様ではなく、中立軸からの距離に応じて変化し、上下の縁で最大となるため、断面のどの位置でも同じ大きさになるとする記述も誤りである。はりは主として横方向の荷重を受け曲げが生じる部材であり、軸方向の力のみを受ける部材ではないため、専ら軸方向の引張力又は圧縮力のみを受ける部材とする記述も誤りである。

正解：d. 20N

てこがつり合う条件は、支点を挟む両側のモーメント(力×支点からの距離)が等しいことである。30N×60cm=1800N・cmであり、反対側の距離90cmでつり合わせるには1800÷90=20Nとなる。45Nや90Nは距離の掛け算・割り算を取り違えた誤答であり、30Nは距離の違いを考慮していない誤答である。

正解：d. 約133W

仕事率は仕事÷時間で求める。物体に加える力は重さ(質量×重力加速度)=20kg×10m/s²=200Nである。仕事=200N×2m=400Jであり、仕事率=400J÷3s≒133.3Wとなる。他の数値は力・距離・時間のいずれかを誤って計算した結果である。

正解：d. 200N

荷物に働く重力は40kg×10m/s²=400Nである。動滑車を1個用いると荷重は2本のロープで支えられる形になるため、必要な力は理論上その半分の200Nとなる。400Nは動滑車を使わない場合の力であり、800N・1600Nは力が軽減される仕組みを踏まえていない誤った計算による値である。

正解：a. 斜面が滑らかであれば、角度θの大きさにかかわらず斜面に平行な分力は常に一定である

斜面上の物体に働く重力は、斜面に平行な分力と斜面に垂直な分力に分解でき、平行な分力は物体を滑らせようとする方向に働く。角度θが大きくなるほど平行な分力(重力×sinθ)は大きくなるため、角度に関係なく常に一定であるとする記述は誤りであり、これが正解となる。重力を斜面に平行な分力と垂直な分力に分解できるとする記述、平行な分力が物体を斜面に沿って滑らせようとする力として働くとする記述、角度θが大きくなるほど平行な分力が大きくなるとする記述は、いずれも斜面上の力の分解に関する正しい内容である。

正解：a. 合成ばね定数は、それぞれのばね定数より小さくなる

ばねを直列に接続すると、同じ荷重に対して全体の伸びが各ばねの伸びの和になるため変形しやすくなり、合成ばね定数は各ばね定数の逆数の和の逆数となり、いずれのばね定数よりも小さくなる。単純な和になる、大きい方と等しい、変わらないとする記述はいずれも直列接続の力学的な性質に反しており誤りである。

正解：d. 引張応力と圧縮応力は、部材の断面をずらす作用によって生じる応力である

引張応力・圧縮応力は部材を軸方向に引き伸ばす、または押し縮める作用によって生じる応力であり、断面を面方向にずらす作用によって生じるのはせん断応力である。したがって引張応力・圧縮応力を断面をずらす作用による応力とする記述は誤りであり、これが正解となる。ねじり応力・せん断応力・曲げ応力の説明はいずれも正しい内容である。

正解：a. 縦弾性係数は、材料の断面積の大小によって変化する材料固有の値である

縦弾性係数(ヤング率)は材料そのものの性質によって定まる定数であり、部材の断面積や寸法によって変化するものではない。したがって断面積の大小によって変化するとする記述は誤りであり、これが正解となる。縦弾性係数の定義、材料ごとに値が異なること、値が大きいほどひずみが小さくなることはいずれも正しい内容である。

正解：c. 応力集中は断面形状が滑らかで一様な部材ほど生じやすい現象である

応力集中は切欠きや穴、段差など断面形状が急激に変化する箇所で生じやすく、断面形状が滑らかで一様な部材では生じにくい。したがって断面が滑らかで一様な部材ほど生じやすいとする記述は誤りであり、これが正解となる。切欠き付近での応力集中、疲労破壊の起点となりやすいこと、フィレットによる緩和はいずれも正しい内容である。

正解：c. 鋳鉄は炭素鋼に比べて炭素含有量が多く、鋼よりもろく展延性に乏しい

鋳鉄は炭素鋼に比べて炭素含有量が多い鉄と炭素の合金であり、炭素量が多いために硬くもろくなる一方で鋳造性に優れる反面、展延性(粘り強さ)には乏しい。炭素含有量が少ない、ほぼ同じ、炭素をほとんど含まないとする記述はいずれも鋳鉄と炭素鋼の基本的な組成の違いに反しており誤りである。

正解：b. ステンレス鋼は炭素をわずかに含む場合でも耐食性が全く得られない合金である

ステンレス鋼は鉄にクロムを含有させ、必要に応じてニッケルなども加えた合金鋼であり、クロムが表面に緻密な酸化被膜を形成することで耐食性を発揮する。炭素をわずかに含んでいても耐食性が全く得られないというのは誤りであり、これが正解となる。クロムによる耐食性、ニッケル含有の種類の存在、酸化被膜による防錆の仕組みはいずれも正しい内容である。

正解：b. 溶接継手は、ボルトやナットなどの締結部品を必ず併用しなければ成立しない接合方法である

溶接継手は母材同士を加熱して溶融させ、一体化させることで接合する方法であり、ボルトやナットなどの締結部品を必ず併用しなければならないものではない。したがって締結部品の併用を必須とする記述は誤りであり、これが正解となる。突合せ溶接・すみ肉溶接の説明、及び溶融による一体化という溶接継手の基本的な特徴はいずれも正しい内容である。