水理の基本（圧力・流量・単位）の一問一答

解説
水は高さ1mごとに約9.8kPaの圧力を生みます。20mなら 20 × 9.8 ＝ 196kPa です。
1MPa ＝ 1,000kPa なので、196kPa ＝ 0.196MPa、つまり約0.2MPaとなります。
実務では「水頭10m ≒ 0.1MPa（約100kPa）」と覚えておくと、配水管の水圧から何階まで直結で給水できるかをすばやく見積もれます。

他の選択肢が誤りである理由
・約0.02MPaは、水頭2mに相当する圧力です。
・約2MPaは、水頭約200mに相当し、10倍大きすぎます。
・約20MPaは、水頭約2,000mに相当し、桁が全く違います。

覚え方のポイント
「10m ≒ 0.1MPa ≒ 100kPa」。この換算は計画論の計算問題でも毎回使います。

解説
流量は「断面積 × 平均流速」で求めます。
Q ＝ 0.002m² × 1.5m/s ＝ 0.003m³/s
1m³ ＝ 1,000L なので、0.003m³/s ＝ 3L/s です。

他の選択肢が誤りである理由
・0.3L/sは、m³からLへの換算で桁を1つ落としたときの値です。
・30L/sは、換算で桁を1つ多くしたときの値です。
・1.33L/sは、断面積を流速で割った値（0.002 ÷ 1.5 ≒ 0.00133m³）をL/sに直したもので、掛けるべきところを割っています。

覚え方のポイント
「Q ＝ A × V」。流量・断面積・流速のうち2つが分かれば残りが求まります。単位はm³/sで計算してから、最後にL/sやL/minに直すと間違えにくくなります。

解説
静水圧は、水が止まっている（流れていない）ときに管内にかかる圧力です。動水圧は、水が流れているときの圧力です。
水が流れると、管の内面との摩擦や、曲がり・弁などを通るときに水のエネルギーが失われます（損失水頭）。そのため、同じ地点でも、流れているときの動水圧は、止まっているときの静水圧より低くなります。蛇口を大きく開けると他の蛇口の出が悪くなるのは、このためです。

他の選択肢が誤りである理由
・静水圧は水が止まっているときの圧力です。
・動水圧は流れているときの圧力で、流速が速いほど損失が大きくなるため低くなります。
・流れがあれば損失が生じるので、両者は同じ値になりません。

覚え方のポイント
「静＝止まっている」「動＝流れている」。給水装置の計画では、使用時の動水圧で末端まで必要な水量と水圧が確保できるかを確かめます。

解説
ア　適当。断面積が増えて流速が遅くなるためです。
イ　不適当。口径を小さくすると流速は速くなり、損失水頭は大きくなります。
ウ　不適当。損失水頭は管の長さにほぼ比例するため、長くするほど大きくなります。
エ　適当。流速が速いほど、摩擦による損失は大きくなります。
したがって、適当なものの組合せは「ア、エ」です。

覚え方のポイント
摩擦損失は「流速が速いほど・管が長いほど大きい」。同じ流量なら口径を大きくすると小さくなります。

解説
ベルヌーイの定理は、損失を考えない理想的な流れでは、位置水頭（高さ）・圧力水頭（圧力を高さに換算したもの）・速度水頭（流速を高さに換算したもの）の和が、流れに沿って一定に保たれるというものです。
実際の給水管では摩擦などの損失があるため、「上流の全水頭 ＝ 下流の全水頭 ＋ 損失水頭」として計算します。高い所に給水するほど、また損失が大きいほど、末端の圧力水頭は小さくなります。

他の選択肢が誤りである理由
・パスカルの原理は、密閉した容器内の流体の一部に加えた圧力が全体に等しく伝わるという原理です。
・アルキメデスの原理は、流体中の物体が押しのけた流体の重さに等しい浮力を受けるという原理です。
・ボイルの法則は、温度が一定のとき気体の体積は圧力に反比例するという法則です。

覚え方のポイント
「高さ＋圧力＋速さ＝一定（損失なしの場合）」がベルヌーイ。給水の水理計算は、これに損失水頭を加えた形で考えます。

解説
1分は60秒なので、毎分30Lは、30 ÷ 60 ＝ 0.5L/s です。
給水用具の使用水量は「L/min（毎分）」で示されることが多い一方、損失水頭の計算では「L/s（毎秒）」や「m³/s」を使うことが多いため、単位の換算は計算問題の出発点になります。

他の選択肢が誤りである理由
・0.3L/sは、30を100で割ったときの値です。1分は100秒ではありません。
・1.8L/sは、毎分30Lを時間あたりに直した量（30L × 60 ＝ 1,800L ＝ 1.8m³/h）の数字をそのまま使った値で、毎秒あたりの値ではありません。
・2.0L/sは、60を30で割ったときの値で、割る数と割られる数が逆です。

覚え方のポイント
「L/min ÷ 60 ＝ L/s」「L/s × 60 ＝ L/min」。さらに1,000Lで1m³です。

解説
円の断面積は「π × 内径² ÷ 4」で、内径の2乗に比例します。内径を2倍にすると、断面積は 2² ＝ 4倍になります。
流量 ＝ 断面積 × 流速 なので、同じ流量なら、断面積が4倍になると流速は4分の1になります。

他の選択肢が誤りである理由
・断面積は内径に比例するのではなく、内径の2乗に比例します。2倍にはなりません。
・断面積が4倍なら、同じ流量での流速は2分の1ではなく4分の1です。

覚え方のポイント
「口径2倍で断面積4倍」。口径を一段太くするだけで流速が大きく下がり、損失水頭も大きく減る理由がここにあります。

解説
水撃作用は、止水機構を急に閉じたときに、流れていた水が急に止められ、管内の圧力が急激に上昇・変動する現象です（給水装置の構造及び材質の基準に関する省令第3条の定義）。
止められる水の勢いが大きいほど、つまり管内の流速が速いほど、圧力の上昇は大きくなります。騒音や振動、管や給水用具の破損の原因となるため、流速を抑える、水撃を起こしにくい給水用具を選ぶ、水撃防止器具を設けるなどの対策をとります。

他の選択肢が誤りである理由
・流速が遅いほど、圧力の上昇は小さくなります。
・ゆっくり閉じると水が徐々に止まるため、圧力の上昇は小さくなります。
・水圧が高い（流速が出やすい）場所ほど水撃は起こりやすくなります。水圧が高い場合は減圧弁などで適正な圧力に下げます。

覚え方のポイント
「速い流れを急に止める」ほど水撃は大きい。対策は「流速を落とす・ゆっくり閉じる・防止器具で吸収する」です。

解説
水が止まっている状態（静水圧）では、高さが1m上がるごとに約9.8kPaずつ圧力が下がります。10m高い位置では、約98kPa ≒ 約0.1MPa 下がります。
したがって、0.3MPa − 約0.1MPa ＝ 約0.2MPa となります。
実際に水を使っているときは、これに加えて摩擦などの損失水頭の分だけ、さらに圧力が下がります。

他の選択肢が誤りである理由
・約0.1MPaは、高さによる低下を約0.2MPa（高さ20m分）と見積もったときの値です。
・約0.3MPaは、高さによる圧力の低下を考えていない値です。
・約0.4MPaは、高い位置ほど圧力が上がると逆に考えたときの値です。

覚え方のポイント
「10m上がると約0.1MPa下がる」。建物の上の階ほど水圧が低くなり、直結給水できる階数が限られる理由です。

解説
30日間で18m³なので、1日あたりは 18 ÷ 30 ＝ 0.6m³ です。
1m³ ＝ 1,000L なので、0.6m³ ＝ 600L となります。
給水装置の計画では、1日あたりの使用水量や、1人1日あたりの使用水量をもとに、受水槽の容量や計画使用水量を求めます。

他の選択肢が誤りである理由
・60Lは、m³からLへの換算で桁を1つ落としたときの値です。
・540Lは、18 × 30 ＝ 540 のように、30で割るべきところを掛けたときの数字です。
・6,000Lは、換算で桁を1つ多くしたときの値です。

覚え方のポイント
「1m³ ＝ 1,000L」。受水槽の容量（m³）と使用水量（L）をいき来する計算で必ず使います。