もっと簡単に木の剪定がしたい？物理学を活用

我が家では、一年で特別な時期、木や茂みの剪定の時期がやってきました。本当は春が一番いいんです。夏まで待つと暑すぎて死んでしまうかもしれないから。今年は新しい枝切りバサミを買うことにしました。正しくは「ロッパー」といいますが、何と呼んでも構いません。20年以上使っている古いバサミと交換することにしました。そろそろ時期が来たんです。

しかし、この新しい剪定ばさみには何かが違います。もしかしたら、もうその物理的な違いがお分かりいただけるかもしれません。

旧型と新型の剪定ばさみには、実は2つの大きな違いがあります（どちらが旧型かお分かりいただけると思います）。新型剪定ばさみについてお話する前に、枝を切る際に最も重要な物理概念である「圧力」について考えてみましょう。そうです、刃は特定の最小圧力値で枝を切ります。

圧力とは何でしょうか？圧力とは、加えられた力を接触面積で割った値と定義されます。つまり、接触面積を小さくすれば、同じ力でより高い圧力をかけることができるということです。では、剪定ばさみの刃を見てください。薄く鋭い刃は接触面積を減らし、圧力を高めます。鋭い刃は鈍い刃よりも優れています。

さて、2つの剪定ばさみをもう一度見てみましょう。古いタイプ（木製のハンドル）のハンドルの方が、新しいタイプの黒いハンドルよりも長いことにお気づきでしょうか？これは、ハンドルが長い方がトルクによって切断性能が向上するためです。トルクの完全な説明は少し難しいですが、この場合は「ねじる力」と考えることができます。長いハンドルを（同じ力で）押すと、より大きなトルクが発生します。つまり、トルクは力と、その力が作用する支点からの距離の両方に依存します。

簡単な図で説明すれば、もう少し分かりやすくなるかもしれません。ロッパーのハンドルの端を押すと、刃が木の枝を押します。ロッパーのアーム全体が釣り合いを保っており、支点の両側にかかるトルクは必ず等しくなります。

小さな力で長いトルクアーム（力の軸から支点までの距離）で押すのは、はるかに大きな力で短いトルクアームで押すのと同じです。木の枝が刃を押しているので、刃も同じ力で押し返します。これが力の作用の仕方です。ところで、枝からのこの大きな力は、ロッパーのこの部分をその方向に加速させませんか？確かにそうなるかもしれませんが、実際にはそうではありません。ロッパーのもう一方の半分が同じ動きをするため、そうはなりません。両側から加わる力をすべて合わせると、それらは打ち消し合い、工具は所定の位置に留まります。

木の枝への圧力を高める方法がもう一つあります。私の古い剪定ばさみには、単純なピボット機構よりも少し複雑な機構が付いています。こちらをご覧ください。

ハンドルと切断刃の間に二重ヒンジがあることに注目してください。この二重ヒンジにより、ハンドルは刃の動きよりもはるかに大きな角度で動きます。そのため、これは一種の単純機械であり、より小さな力をより長い距離に使用することで、より大きな力（したがって圧力）を出力できます。実際には、これは仕事-エネルギー原理の一種です。仕事は力と変位の積で定義できるため、ハンドルに対して手が行う仕事は、木の枝に出力される仕事と等しくなります。しかし、ここが重要な部分です。ハンドルに二重ヒンジがあるため、単純なヒンジよりも手がさらに遠くまで移動し、より多くの仕事をすることができます。刃の移動量は同じであるため、同じ量の仕事を行うにはより大きな力が必要になります。

もちろん、ハンドルがどれだけ長くても、どんな種類のヒンジがあっても、切った木の枝をすべて運び出すには、ある程度の労力が必要になります。