公園で実験!身近な「なぜ」を楽しく解決・発見!【自由研究テーマ・ネタ 特集】





簡単に、楽しくできる自由研究をお探しの皆さん必見!

日常生活の身近なところで発見する、楽しくて、しかも他の人となかなかかぶらないような自由研究のテーマをご紹介します!

中学や高校の内容も含まれますが、小学生でも大丈夫!夏休みの宿題を片付けるついでにちょっぴり予習してしまいましょう!

ブランコの速さと高さ

公園でいつも遊んでいるブランコ、漕いで勢いをつけますが、ここに物理があります。

加速するほど高くまで上がり高くから落ちるほど速くなる

当たり前のことに思えますが、これは中学校で学習する「力学的エネルギー保存則」の話になります。

ここでは、漕がなければ(力を新たに加えなければ)ブランコの高さによる位置エネルギーと、速さによる運動エネルギー和(合計)が一定になります。

簡単に言えば、高さのパラメータ「位置エネルギー」と速さのパラメータ「運動エネルギー」を足すと常に同じになるというわけです。

つまり、ブランコが高いほど遅く、低いほど速く、逆に速いほど低く、遅いほど高くなるということです。だから上に行くほど減速するし、下に行くほど加速します。

位置エネルギー(高さ)が最高の時は運動エネルギー(速さ)が最低になるので、前向きの動きと後ろ向きの動きの間に、最高点で一瞬だけ止まっている瞬間ができるわけです。この瞬間は運動エネルギーは0になるわけですね。

逆もまた然りです。運動エネルギー(速さ)が最高の時は位置エネルギー(高さ)が最低になるわけです。つまり、ブランコが一番速くなるのは、一番低い位置にある時です。

・ブランコと振り子実験

この原理はもちろん、ブランコに自分で乗って確かめるのもいいですが、簡単な方法で、外から観察することもできます。

そのキーアイテムが「振り子」です。

重りをブランコの座面と乗っている人に見立てて糸に吊るしましょう。あとは糸を固定して振幅をつけてやれば振り子の運動が見れます。高さと速さの関係を確かめてみましょう。

逆にブランコを大きな振り子のようなものと捉えて、振り子の振幅と周期、おもりの重さなどの関係をその身で感じながら実験することもできます。動いてはいけなかったり、ブランコは鎖でぶら下がったり、なかなか難しいかもしれませんが、楽しみながらできるのは間違いなしです!

グローブジャングルジムと遠心力

最近ではあまり見られなくなってきましたが、公園のぐるぐる回る遊具、グローブジャングルジムでも物理を実感することができます。

遊園地のコーヒーカップなどと同様、乗ったまま回転すると外向きの力を感じます。これが遠心力ですね。水入りバケツを振り回しても水がこぼれないというのも水に遠心力がかかっているからなんですね。

グローブジャングルジムでは実に体感しやすい実験ができます。

乗った状態で回転速度を変えてみて、遠心力の大きさがどう変化するかを感じてみましょう。さらに、一定の速度で回転した状態で、乗る位置を変えてみて、遠心力の大きさがどう変化するかを感じてみましょう。

結論としては速いほど、外側にいるほど、遠心力は大きくなることが感じられると思います。

・向心力と遠心力

遠心力の大きさが何に依存するかは「向心力」を考えればわかります。遠心力は向心力とつりあう力(簡単に言えば打ち消しあう力)です。

さて、ものの動きが曲がるには、力を加える必要があります。

ボールを投げるといずれ落ちてきます。ここでは「重力」がボールに加わって軌道が変わっているわけです。

ボールを転がしたらまっすぐ進みますが、横から叩けば軌道が変わりますね。ここでは叩く力が加わって軌道が変わるわけです。

このように、ものの軌道は基本まっすぐで、これを変えるには力を加える必要があります。

グローブジャングルジムやコーヒーカップに乗った人の軌道はずっと曲がり続けるのです。この軌道の変化を引き起こしているのが「向心力」なんですね。

これは高校範囲なので説明を省きますが、この内側向きの力「向心力」は、物体の重さと回転の半径と速度のそれぞれが大きいほど大きくなります。

(向心力の大きさを確かめるには、半円のコースにボールを打ち出す実験などをしてもいいかもしれません。)

ボールが通るときにコースを動かさないためには、コースを抑える必要があります。このとき抑える手を通してコースがボールを押す力が向心力です。重くて速いボールほどコースを抑えるのに必要な力は大きくなります。そして曲率の高いコースほど抑えるのに必要な力が大きくなります。

物体の重さ、回転の半径と速度が向心力に関わっていることがわかりました。これはそのまま遠心力の大きさですから、遠心力が回転の半径(どれほど内側にいるか)や速度に依存していることが確かめられるわけです。

まとめ

ここでは、公園でできる実験、身近なところにある理科についての自由研究テーマをご紹介しました。自由研究も楽しんで終わらせましょう!

ただし安全には注意しましょう。エネルギーが大きいほど、落ちたりぶつかったりした時の痛みは大きいですからね。

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この記事を書いたライター

甲斐 匠人学生ライター
都内公立中から開成高校に進学、校内外問わず様々な活動に参加しています。
多くの人と同じ体験も、異なる体験もしてきました。そこから得た視点や技能をみなさんに活かしてもらう為に努めてまいります。