おもしろ実験と自由研究「行ったり来たり」

なぜ「行ったり来たり」は行ったり来たりするのでしょうか？輪ゴムには乾電池のおもりをつけました。「行ったり来たり」が転がるとき、おもりは下にある状態で転がるので、輪ゴムはねじれていきます。最初に与えたエネルギー（「行ったり来たり」を転がせたときに手が与えたエネルギー）を弾性エネルギーとして輪ゴムに少しずつ蓄えながら、速度も徐々に遅くなってそのうちストップします。次に、ねじれたゴムをほどこうとして、逆向きに転がりはじめます。ゴムに蓄えた弾性エネルギーを運動エネルギーに変えながら、戻ってくるのです。でもでも？戻ってくるときに、スタート地点を過ぎても止まらないのはなぜなのでしょう？輪ゴムがほどけるときの勢いで、輪ゴムに巻き戻しがあったのかしら？では、「行ったり来たり」を転がさず、手に持った状態で様子を見てみましょう。まず、輪ゴムをねじった状態にしてから手に持ち、ほどける様子を見ると・・・輪ゴムはほどけはするものの、巻き戻しまでも行きません。巻き戻しがないことには、せいぜいスタート地点までしか戻れないということになります。これは、何か速度に関係がありそうですね。 *** ここからは摩擦抵抗・空気抵抗がないと仮定して考察します。*** 「行ったり来たり」が逆向きに転がり始めたとき、初速度0で動き始め、加速度をつけながら戻ってきました。途中からは、輪ゴムがほどける力も弱るので、加速度も少しになりますが、スタート地点を越えるまでは輪ゴムはほどける方向ですので、少しずつでも加速度がつきます。スタート地点まで戻ったところで速度は最も速くなります。スタート地点を越えると、輪ゴムは逆に巻かれはじめるので、ブレーキがかかり始めます。最初と同じように、運動エネルギーを弾性エネルギーとして蓄えていきます。そして、弾性エネルギーとして蓄えきったら、また逆向きに動きはじめる・・・この繰り返しです。摩擦抵抗・空気抵抗がないときは、同じ地点まで行ったり来たりを永遠に繰り返します。 *** 摩擦抵抗・空気抵抗を考慮すると*** 摩擦抵抗の程度によって、変わりますが、フローリングの上などでは、２～３度上のように行ったり来たりするうちに、減衰していきます。 *** 摩擦抵抗を極力少なくした例として*** 例えば、振り子の場合、摩擦抵抗は支点の部分のわずかなものと空気抵抗のみです。「行ったり来たり」は弾性エネルギーを運動エネルギーに変えて動きましたが振り子は位置エネルギーを運動エネルギーに変えて動きます。動く原理は同じで、位置エネルギーと運動エネルギーの変換を繰り返していて、速度は中心のところで最も速くなります。摩擦抵抗はほとんどないので、何度も行ったり来たりを繰り返し少しずつ減衰していきます。振り子もまた、摩擦抵抗も空気抵抗もなければ、永遠に振れ続けます。「振り子」も「行ったり来たり」も同じように、「振動運動」をしているのですね。「智恵の楽しい実験教室」「智恵の楽しい実験教室各号の紹介」「おもしろ実験と自由研究」「色の3原色と光の3原色」　　　光の3原色(加色混合)と色の3原色(減色混合)の違いをシュミレーションしながら計算方法まで解説しています。「プラコプターを飛ばそう！」　　　簡単に出来て、子供たちも飛ばすことに夢中になる実験です。「行ったり来たり」　　　ゴムの弾力エネルギーを運動エネルギーに変換。振り子も位置エネルギーを運動エネルギーへ。何だか似てますね。「フランクリンモーター改良版」　　　静電気で回る、フランクリンモーター。送電線の絶縁効果を高めたので、よくまわります。「踊るセメダイン」　　　表面張力に注目し、わかりやすく解説をしています。「ファラデーの電磁回転」　　　世界初の電磁力で動くモーターの作り方と原理、ファラデーの功績を紹介。「ファラデーの電磁誘導」　　　1831年にファラデーが発明した電磁誘導の説明と実験を紹介。「電磁調理器を使ってUFOを飛ばそう!」　　　電磁誘導を利用して加熱する仕組みの電磁調理器を使って、アルミホイルを浮かせます。「ピカピカモーター」　　　1.5vの乾電池1個では点灯しないはずの発光ダイオードが電池1個でクルクル回転しながら点灯します。「モーター発電＆逆起電力」　　　モーターは発電機と同じ構造をしていること、モーター回転しているときには逆起電力が発生する仕組みがわかります。ヘンリーの功績も紹介。「単極モーター」　　　「単極モーター」は電池、くぎ、磁石、導線があれば、簡単に出来ておもしろいほど回ります。回る原理はくぎからの漏れ磁束が起因してると考えます。フェライト磁石とネオジム磁石の特徴も解説。「ミニ掃除機」　　　ミニ掃除機は簡単な工作で作れます。応用版として自動掃除機にも挑戦！「イライラ棒」　　　「イライラ棒」は回路を２回路にしたことで、電極棒がコースから離れてもライトが点灯し続けます。「電気ブランコ」　　　「電気ブランコ」はフレミング左手の法則を利用してゆらゆら揺れます。スイッチを工夫したことで電池が持続する限り揺れ続けます。「イライラ棒」　　　「イライラ棒2」はリレーを使って自己保持回路を作ることで、電極棒がコースから離れてもブザーが鳴り続けます。最も簡単な自己保持回路の説明を動画でわかりやすく解説しています。「風船紙コプター」　　　「風船紙コプター」は風船から出る空気の圧力を利用して、回転しながら上昇をします。「温風かざぐるま」　　　「温風かざぐるま」は対流を利用してクルクル回ります。「くるくる糸」　　　「くるくる糸」はベルヌーイの定理（流速の速いところでは気圧が下がること）を利用して糸がクルクル回ります。「アイスキャンデー」　　　「アイスキャンデー」は氷と塩を使ってマイナス20℃の状態を作り、ジュースを凍らせます。凝固点降下の説明もあります。「不思議なペットボトル」　　　「不思議なペットボトル」は水を少し入れただけでどんどんお水が出てきます。大気圧と水圧に注目して考察してみました。「ファラデーの電磁回転左側の装置」　　　「ファラデーの電磁回転左側の装置」1821年にファラデーが作った世界初のモーターの実験装置の左側の装置の回転方向を検証します。「電気分解と燃料電池」　　　「電気分解と燃料電池」は水に食塩を入れて電気分解を行い、その後電気分解で発生した気体（水素と塩素）を使ってモーターを回したり発光ダイオードを点灯させます。「ガウス加速器」　　　「ガウス加速器」は磁界に置かれた鋼球(パチンコ玉)がポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)を持ち、それを運動エネルギーに変換しながら速度を上昇させていきます。「くるくるマグネット」　　　「くるくるマグネット」は磁石2個の間にCDをはさみ、下側の磁石を斜めにした状態で移動させると、上の磁石がクルクル回転します。上の磁石にマスコットを乗せて簡単なおもちゃを工作します。「コヒーラ」　　　「コヒーラ」は圧電素子を押して高電圧による火花放電で電磁波を発生させ、その電磁波でアルミホイルの酸化皮膜を破り、モーターを通電状態にします。