前回に引き続き，「今日の料理工学」の総集編です．

　前回は，これまで行った「実験」を紹介しました．今回は，これまで行った「解析」を紹介します．（「解析」とは，主に机上の検討や計算によって，ものの性質や振る舞いを，予測する試みのことです．）


★温度変化の数値解析
　料理においては，「加熱」が重要な役割を演じます．「今日の料理工学」で，最も多く扱ったテーマは，「温度変化」に関するものだったと思います．
　図１は，一定厚さの食材をゆでるときの，温度変化の解析です．「熱伝導」の式を元にして，数値計算（数値シミュレーション）によって求めました（詳しくは→こちら）．
＜図１＞左：解析モデル，右：食材の温度分布

　このような解析は，例えば，「水からゆでるのと，湯からゆでるので，温度変化はどう違うか」という問題の解決に，役立ちます．下図２は，水から・湯からゆでた場合で，食材内部の温度変化がどれくらい違うかを，調べた結果です．比較的厚みのある食材では，水からゆでたほうが，短時間で火が通ることが分かります．これは，「根菜は水からゆでるべし」という，よく言われる調理指針を，裏付けるものです．
＜図２＞


　少し複雑な解析として，「鍋の温度変化」を調べたこともありました（図３，詳しくは→こちら）．この解析では，「２次元の熱伝導」を，取り扱っています．やはり，熱伝導の式に基づく，数値計算で，温度分布を求めています．この結果から，「アルミの鍋は熱が伝わりやすい」ということを，裏付けることができました．
＜図３＞上：解析モデル，下：鍋底の温度分布



　これらのほか，唐揚げを作る（詳しくは→こちら），オーブンでケーキを焼く（詳しくは→こちら），ガラス食器の急熱・急冷する（詳しくは→こちら），など，いろいろな問題について，温度変化の解析を行いました．こうした解析は，世間でよく言われる調理指針の根拠を説明するのに，そこそこ有用だったと思います．
　なお，温度変化を解析するのに用いた「熱伝導解析ツール(１次元・２次元)」は，当ブログで公開しています．（詳しくは→こちら）


★包丁の切断力～「数値解」と「解析解」
　温度変化の解析は，「熱伝導」という問題について，既知の一般的な解法を，料理の問題に，そのまま適用したものでした．しかし，実際に遭遇する問題の多くでは，既知の解法を，うまく適用できない場合があります．
　包丁で食材を切るときの力を調べる問題も，そういった問題のひとつでした．材料を切断する問題は，工学的には，古くから検討されているようです．しかし，扱いがとても複雑なため，私の技量では，とても消化できなかったのです．苦肉の策として考えたのが，図４のように，食材を「線形ばねモデル」として扱う方法でした（詳しくは→こちら）．これならば，簡単な計算で済みます（どれほど正確かは，疑問の余地がありますが）．この解析の結果から，「刀身の角度が小さいほど軽く切れる」という，一般的に言われる説を，裏付けることができました．
＜図４＞上：解析モデル，下：切断に要する荷重


　温度変化の解析では，「数値計算（シミュレーション）」によって，解を得ていました（このような解を，「数値解」と呼ぶ）．コンピューターの計算速度やインターフェースが向上した昨今，数値計算は，とても便利です．しかし，数値計算では，いろいろなパラメータが，計算結果にどのような影響を与えるか，計算してみないと分からない場合があります（例えば，食材の厚みを２倍にすると，火が通る時間は何倍になるのか，など）．
　これに対して，上の包丁の例では，解が直接「数式」で与えられます（このような解を，「解析解」と呼ぶ）．このため，パラメータを変化させると計算結果がどう変わるか，すぐに知ることができます（例えば，切断荷重は，刀身角度αの約２乗に比例する(摩擦係数μ・先端幅ｔ・刀身角度αが小さい場合)，など）．これが，数値解に対する，解析解の利点だと思っています．


★解析結果のアニメ化
　解析で直接得られる結果は，たいていの場合，数値や数式で表されます．数値や数式のままだと，直感的な理解がしにくい欠点があります．このため，通常は，上で見たように，グラフを用いて表します．しかし，複数の物理量が同時に時間変化する現象を取り扱う場合などには，グラフだけでは，理解が難しいことがあります．こうした場合には，解析結果を，アニメーション（動画）で表すと，分かりやすくできます．
　　下図５は，包丁の刃先を食材に押し込んだときの様子を，アニメーションで表したものです（詳しくは→こちら）．包丁の刃先は，一直線でなく，ギザギザした「ノコ刃」になっています．このアニメーションを見ると，ノコ刃の先端が食材に押し込まれていく様子を，直感的に理解することができます．
＜図５＞

　下図６は，包丁の動かし方による，人の腕の動きの違いを，アニメーションで比較したものです（詳しくは→こちら）．包丁を真下に移動させて切る「真下切り」と，奥に押し出しながら切る「押し切り」を，比較しています．押し切りでは，肩の動きが大きいことが分かります．腕全体を使うことができるので，押し切りの方が力を入れやすいと，推測できます．
＜図６＞左：真下切り，右：押し切り



★実験と解析の合わせ込み
　ここまで紹介した解析は，机上のものに過ぎません．すなわち，事実とどの程度あっているか，確証がありません．解析で得られた結果に，説得力を与えるためには，実験との比較検証が，欠かせないと考えられます．
　下図７は，哺乳ビンのミルクを冷やすときの温度変化を，実験と解析で比較したものです．当初考えた解析モデルでは，実験結果をうまく説明できませんでした．しかし，実験結果を踏まえて，解析モデルに修正を加えることで，実験と計算の結果（温度変化）を，うまく合わせ込むことができました（詳しくは→こちら）．このような「合わせ込み」で，解析結果の信頼性を，高めることができます．（「今日の料理工学」では，このような「合わせ込み」は，あまりできませんでした．）
＜図７＞上左・上右：実験のセットアップ，下左：解析モデル，下右：実験と解析の比較




【今回の結論】
　「解析」は，「実験」と並んで，いろいろな現象の解明に，なくてはならないものです．
　しかし，机上の解析だけで終わらせず，実験との合わせ込みを行うことが，とても重要だと思います．　


「今日の料理工学」のコーナーは，今回で終わりです．長らくの応援，ありがとうございました．
あと少しだけ，続きます．あと少しだけ，応援よろしくお願いします．
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