シャルル・ド・クーロン

2.1. 幼少期と教育

クーロンは1736年6月14日にフランス王国アングレーム県のアングレームで、アンリ・クーロンとカトリーヌ・バジェの子として誕生しました。父アンリはモンペリエ出身のフランス国王の直轄領の検査官であり、母カトリーヌは羊毛取引で財を成した裕福な家系の出身でした。

クーロンは幼少期に家族とともにパリに移り住み、名門コレージュ・マザランで学びました。そこで彼は哲学、言語、文学を修めるとともに、ピエール・シャルル・モニエの数学の授業から大きな影響を受け、数学および関連分野を専門とするキャリアを志すことを決意しました。1757年から1759年にかけては、モンペリエにある父方の実家に滞在し、モンペリエ科学アカデミーの業務に携わり、数学者のオーギュスタン・ダニジーに師事して数学の教育を受けました。1759年、父親の同意を得て、シャルルヴィル＝メジエールにあるメジエール王立工兵学校の入学試験準備のためパリに戻り、1760年に合格しました。1761年に同校を卒業し、フランス軍に中尉として工兵隊員として入隊しました。

2.2. 初期軍事・工学キャリア

卒業後の20年間、クーロンは様々な場所での工学プロジェクトに携わりました。彼の最初の赴任地はブレストでしたが、1764年2月には西インド諸島のマルティニーク島に派遣され、新フォール・ブルボンの建設責任者となりました。この任務は1772年6月まで続き、彼は8年間にわたり石造建築の耐久性や支持構造の挙動に関する実験を行いました。これはピーター・ヴァン・マッシェンブレーケの摩擦理論から着想を得たものでした。マルティニーク島での3年間の滞在中に患った風土病は、その後の彼の生涯に影響を及ぼしました。

フランス帰国後、クーロンはブーシャンに送られました。彼は応用力学に関する重要な著作を執筆し始め、1773年にはその最初の論文をフランス科学アカデミーに提出しました。1779年にはロシュフォールに派遣され、マルク・ルネ・ド・モンタランベール侯爵と協力してイル・デクス近郊に完全に木材でできた要塞の建設に携わりました。ロシュフォール滞在中、彼は特に造船所を実験室として利用し、力学の研究を続けました。また、1779年には摩擦の法則に関する重要な研究論文『部品間の摩擦とロープの張力を考慮した単純な機械に関する理論』(Théorie des machines simples, en ayant égard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^{フランス語})を発表しました。これは20年後の流体抵抗に関する覚書に続きます。

フランスへ帰国後、大尉の階級でラ・ロシェル、イル・デクス、シェルブールでの任務に就きました。この時期に彼は、電気を帯びた物体間に働く力が距離の2乗に反比例するという関係、そして磁極間にも同様の関係があることを発見しました。これらの関係は後にクーロンの法則として彼の名にちなんで命名されました。

2.3. 科学アカデミーでの活動とフランス革命

クーロンは1774年にフランス科学アカデミーの通信会員となり、1777年には磁気コンパスの研究により科学アカデミーの懸賞で第一位を獲得しました。1781年には摩擦の研究により再び懸賞第一位に輝き、同年、科学アカデミーの正会員に選出されました。

1781年からはパリに最終的に配属されました。1787年にはジャック＝ルネ・テノンと共にロイヤル・ネイバル・ホスピタル・ストーンハウスを訪問し、その画期的な「パビリオン」設計に感銘を受け、フランス政府にその導入を推奨しました。1789年にフランス革命が勃発すると、彼は「水と噴水の監督官」(intendant des eaux et fontaines^{フランス語})としての職を辞任し、ブロワにある自身の小さな領地で隠居生活に入りました。

しかし、革命政府による新しい度量衡の制定に参加するため、一時的にパリに呼び戻されました。彼はフランス学士院の初代会員の一人となり、1802年には公共教育の検査官に任命されました。しかし、その頃にはすでに健康状態が非常に衰弱しており、4年後の1806年8月23日、パリで死去しました。

3.1. ねじり天秤

1784年、クーロンは覚書『金属線のねじれと弾性に関する理論的研究および実験』(Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal^{フランス語})を発表しました。この覚書には、金属線のねじり力に関するクーロンの実験結果が含まれており、特にねじり天秤の原理を詳述しています。彼の一般的な結論は、「同じ金属線であれば、ねじれのモーメントはねじれ角、直径の4乗に比例し、線の長さに反比例する」というものでした。

ねじり天秤は、金属線のねじれが外力に比例するという特性を利用して、非常に微小な力を高精度で測定できる装置でした。彼はこの装置を用いることで、静電気力のような微小な力を定量的に測定することを可能にし、その後の電気と磁気に関する画期的な研究の道を拓きました。このねじり天秤は、イギリスのジョン・ミッチェルによって1750年に独立して発明されていましたが、ミッチェルが生涯その発見を公表しなかったため、クーロンの業績が歴史に残りました。

3.2. 電気と磁気の研究：クーロンの法則

クーロンは静電気と磁気の分野で先駆的な研究を行い、特にクーロンの法則の発見と定立で有名です。彼はねじり天秤を用いて、帯電した物体間や磁極間に働く引力と斥力を実験的に測定しました。

1785年、クーロンは電気と磁気に関する最初の3つの論文を発表しました。

• 『電気と磁気に関する第一論文』(Premier Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{フランス語})：この論文では、金属線のねじり力がねじれ角に比例するという特性に基づいた「電気天秤」(ねじり天秤)の構築方法と使用法を記述しています。クーロンはまた、「同じ種類の電気で帯電した二つの物体が互いに及ぼす力」の法則を実験的に決定しました。彼は、「これら3つの実験から、同じ種類の電気で帯電した二つの球が互いに及ぼす反発力は、距離の二乗に反比例する」と述べています。
• 『電気と磁気に関する第二論文』(Second Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{フランス語})：この論文では、磁気流体と電気流体が「反発あるいは引力のいずれかによって作用する法則」を決定しています。彼は、二つの反対に帯電した球体間の引力は、球体上の電荷量の積に比例し、球体間の距離の二乗に反比例することを述べています。
• 『電気と磁気に関する第三論文』(Troisième Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{フランス語})：この論文は、「孤立した物体が、湿度の低い空気との接触によって、あるいは多かれ少なかれ導電性の支持体によって、一定時間内に失う電気の量について」論じています。

その後も、以下の4つの論文が発表されました。

• 『第四論文』(Quatrième Mémoire^{フランス語})：電気流体の二つの主要な特性を示しました。第一に、「この流体は、化学親和性や選択的な引力によってどの物体にも膨張するのではなく、接触した異なる物体間で自らを分割する」こと。第二に、「導電体において、安定状態に達した流体は、物体の表面に広がり、内部には浸透しない」ことです。(1786年)
• 『第五論文』(Cinquième Mémoire^{フランス語})：接触させた導体間で電気流体がどのように分割されるか、またこの流体が物体の表面の異なる部分にどのように分布するかについて。(1787年)
• 『第六論文』(Sixième Mémoire^{フランス語})：複数の導体間での電気流体の分布に関する研究の継続と、これらの物体の表面の異なる点における電気密度の決定。(1788年)
• 『第七論文』(Septième Mémoire^{フランス語})：磁気について。(1789年)

クーロンは電気電荷と磁極間の引力および反発力の法則を説明しましたが、この二つの現象間の関係性については見出せませんでした。彼は、引力と反発力は異なる種類の「流体」(fluids^英語)によるものだと考えていました。

彼の研究成果は、ヘンリー・キャヴェンディッシュによっても独立に発見されていましたが、キャヴェンディッシュの成果は生前に出版されなかったため、発見者の栄誉はクーロンに与えられました。クーロンの電気と磁気に関する研究は、後にハンス・クリスチャン・エルステッドやシメオン・ポアソンによる発見、そしてアンドレ＝マリ・アンペールによる電磁気学の基礎研究へと繋がり、電磁気学の発展に不可欠な土台となりました。

3.3. 摩擦と潤滑の研究

クーロンは摩擦学の分野にも多大な貢献をしました。1779年に発表した論文『部品間の摩擦とロープの張力を考慮した単純な機械に関する理論』は、ギヨーム・アモントンの研究と合わせて「アモントン-クーロンの摩擦法則」として知られています。この論文は、18世紀に行われた摩擦に関する最も包括的な研究であり、彼はダンカン・ダウソンによって「摩擦学の23人の偉人」の一人として挙げられています。また、彼は流体抵抗に関する覚書も発表し、潤滑に関する研究にも貢献しました。

3.4. 土圧理論

クーロンは土質力学の基礎となる土圧理論の理解に画期的な貢献をしました。1776年、彼はフランス科学アカデミーに『建築に関連するいくつかの静力学問題に対する最大値と最小値の規則の応用に関するエッセイ』(Essai sur une application des règles de Maximis et Minimis à quelques Problèmes de Statique, relatifs à l'Architecture^{フランス語})を提出しました。この著作は、現在「クーロンのくさび理論」として知られる土圧理論を導入し、土塊の安定性分析のためのいくつかの重要な原理を確立しました。これには以下の点が挙げられます。

• せん断抵抗の法則：クーロンは土のせん断抵抗を s = c + σ tan φ と定式化しました。ここでcは粘着力、σは垂直応力、φは内部摩擦角を表します。
• 能動土圧と受動土圧：彼は、土が擁壁に圧力を及ぼす条件や、移動に抵抗する条件を記述する能動土圧と受動土圧の限界概念を導入しました。
• 破壊面：クーロンは、土中の破壊面が水平に対して45度 + φ/2の角度で発生することを明らかにしました。
• 壁面摩擦：彼は、側方土圧を低減する際の壁と土の摩擦の影響を考慮した最初期の研究者の一人でした。
• 限界高さ：クーロンは、粘着力によって安定を保つことができる垂直な土ののり面の限界高さを計算する方法を提供しました。
• 排水：彼は、水の蓄積による擁壁への追加の力が作用するのを防ぐために、適切な排水の役割を強調しました。
• 実証的検証：クーロンは、ヴォーバン元帥の擁壁建設で採用されたような当時の建設実践を用いて、自身の理論を検証しました。

クーロンの分析は、当時の実践的な工学的解決策を超え、静力学と力学の原理を土の安定性問題に体系的に適用しました。彼の方法は、後の研究者によって洗練されたものの、現代の土質力学と擁壁設計の基礎を築き、現在でも地盤工学において関連性を保っています。彼の貢献は土質力学の理論を進歩させただけでなく、ウィリアム・ジョン・マコーン・ランキンなど、粘着性土と粒状土の理論をさらに洗練させた後続の著作にも影響を与えました。クーロンの1776年の論文の奥付は、査読付きの地盤工学ジャーナル『Géotechnique』の各版の表紙に再現されています。

4.1. 科学界への影響

クーロンの発見は、後続の科学発展に計り知れない影響を与えました。特に、彼のクーロンの法則は、電気と磁気の現象を数学的に記述する基礎となり、電磁気学の発展に不可欠な要素となりました。彼の業績を称え、電気量のSI単位であるクーロン(C)は1880年に命名されました。

彼は摩擦に関する最も包括的な研究を18世紀に行い、摩擦学の分野の確立に貢献しました。また、土圧理論に関する基礎的な研究は、地盤工学の分野における彼のパイオニアとしての地位を確立し、現代の土質力学と擁壁設計の基礎を築きました。これらの貢献により、彼は様々な科学分野で先駆者として広く認められています。

4.2. 批判と限界

クーロンは電気と磁気がそれぞれ異なる種類の流体によるものだと考えていましたが、これは後にマクスウェルの方程式などによって、電気と磁気が統一された電磁気現象であることが示されたため、理論的な限界と見なされます。

また、彼のクーロンの法則は、イギリスのヘンリー・キャヴェンディッシュ(1731年-1810年)によっても独立に発見されていました。しかし、キャヴェンディッシュが生涯その発見を公開しなかったため、発見者の栄誉はクーロンに与えられました。これはクーロンの業績に対する客観的な評価において言及されるべき点です。

4.3. 記念と栄誉

クーロンの科学への貢献を称え、彼の名前は様々な形で記念されています。彼の名はエッフェル塔に刻まれた72人の学者のリストに含まれており、パリを訪れる多くの人々にその業績を伝えています。