番組によって実験結果が異なる台車実験

2355の夜ふかしワークショップで、台車にプロペラと帆を付けて、プロペラの風が帆に当たるようにしたら台車はどのように動くか、という実験を行っていました。
平成教育委員会でも全く同じ実験を行っていたのですが、なぜか2つの番組での実験結果は異なるものでした。
2355の実験では台車が帆のある方向に進んでいたのに、平成教育委員会の実験では台車は動きませんでした。
違いがあるとすれば平成教育委員会で使っていた実験装置が2355のものより少し大きかったくらいです。あとは全く同じ条件です。

なぜ同じ実験をしたのに結果が異なってしまったのでしょうか?

No.2 ベストアンサー 回答者： sailor 回答日時： 2012/09/28 16:26

この実験の意味を考えると動かないと言うのが正しい答えなのでしょうけれど、実際に実験で帆のある方向に動いた例では、帆のたった風が帆によって向きを後方に変化させられたため動いたと言うことでしょう。

この実験で言いたかったのは、プロペラで作り出した力と帆が受ける力が逆方向になりそれがつりあうと言うことを言いたかったのであると思いますが、実際には帆に当たった風の一部は帆に当たり再度、向きを変えられてプロペラの方向に向かったため、その分がアンバランスとなり帆のある方向に進んだということでしょう。

この場合で帆がプロペラの作る風を１００％受けて力に変換すれば帆が受ける力の方向とプロペラの作る力の方向はまったく逆方向で等しいことになるので、台車は動かないと言う結果になるでしょう。しかし帆が
風を受けて膨らむ（中央がプロペラと反対側に膨らむように）ように変形した場合、帆は受けたエネルギー（風の流れ）の一部を膨らんだ面に沿ってプロペラがわに向いた斜めの流れを作ることになります。この流れは台車をプロペラと反対方向に進める力となりますので、台車は帆のある側に進むことになるでしょう。逆に帆が中央を頂点とした形に変形して帆の方向に斜めの風の流れを作った場合はプロペラのある方向に進むことになるでしょう。

この実験の本来の区的は力の均衡状態では全体としてどちらにも力が働いていないのと同じであると言うことを実証することにあるかと思いますが、その意味では動いてしまった方の実験は失敗であると言って良いでしょう。ただし理論上ではなく実際の状況を確認すると言う意味では条件次第でこのような場合もあると言うことで、どちらも成功であるともいえます。

実験と言うのは何を証明したいかによって条件を整える必要があります。クイズなどで実験に使用する装置が示されているのであれば、どちらも正当な問題といえるでしょう。

No.14 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/10/07 11:02

　htms42様の、特に#13でのご回答に触発されました。

ありがとうございます＞htms42様

　触発されたことから、台車の動きについて、他の要素を余談的に少し。

　密閉し、外とのつながりを一切断って、内力だけで台車は、ある程度は動くことはできます。

　たとえば、台車の端から端まで、台車上の質量を動かせば（台車の端から端まで人が歩くとか）、台車自体は移動します。

　これは、台車を、その上に積んだ物の質量も含めた系では、そのトータルでの重心が移動しないという、力学では非常に大事で基本的なことにより、台車だけを見ると移動するわけです。

　しかし、移動には限界があり、端と端を行き来しても、前後に振動するような動きしかできません。

　もし地面と台車の間に摩擦があれば、前進じていくことは可能です。同じく台車の上を人が歩くとして、台車の後端へは素早く、台車の先端へはゆっくりと動けば、最大静止摩擦力と動摩擦力の差を利用して、前へだけ進むことは可能です。

　そういう物を、「内力だけで進む装置」と称する疑似科学の主張があったりするのは、本当に余談です。

　事務用でよくある回転いすでも、同様のことができます。回転いすに座って腕を真っ直ぐ左に伸ばし、素早く右へ振って、すぐに腕を縮めます。回転し続けはしませんが、向きを変えることはできます。

　こちらは、回転の慣性モーメントを変えてやることによる現象です。

　内力だけでも、こうしたことは可能です。2355や平成教育委員会の実験は、そうしたことが起こらないように配慮されているのだと思います。それも現象として現れると、説明がややこしくなる一方ですから。

No.13 回答者： htms42 回答日時： 2012/10/05 08:46

＃８、＃９です。

cozycube1様
＃１２
＃８での補足欄での質問、回答して頂いて恐縮です。

＃１１
＞そういう、「内力では推進力を得られない」ということを、平成教育委員会の実験は示したかったのだと思います。

そうだと思いますが、「内力」という条件が成り立っていないところにそれを当てはめようとしているところがおかしくなってしまった原因だと思います。条件が成り立たっていないにもかかわらず、成り立っているとした時の結果に当てはめようとすれば「誤り」になります。

＃９に
＞「台車と台車の上にある物体とが閉じた系を作る」、「動くのも、止まるのも、台車との間で働く力によって起こる」という前提が成り立っていない

と書きました。「止まる」までに働いた力にも「内力」という条件が当てはまらないといけないのです。
しかし帆に当たって跳ね返った風が台車の外に出て行くのですから風は運動量を持ったまま系の外に出て行きます。動いていた風は最終的には止まってしまうでしょうが、その時に働く力はもはや、台車とは何の関係もないものです。内力ではありません。２３５５で台車が動くという結果が得られているということは風が持って出て行く運動量が結構大きいということを示しています。無視できない大きさなのです。

＃３に書かれている
「台車の上に置いた密閉した箱の中に扇風機を置いてやっても動かない」
をやればよかったのです。箱のない場合もやって比べてみれば、箱があるのとないのとで違いが生じることが分かります。その違いがどこにあるかを考えよという問題だとしたら結構難しいものになるでしょう。それは番組として面白くないと判断したのでしょう。

平成教育委員会の番組でやったというのはかなり前のことではないでしょうか。
そうであれば２３５５の番組は平成教育委員会の結果を踏まえていることになります。「反論」だったのではないでしょうか。「風が当たれば動くのは当然」と考えるのが普通のイメージですから「反論」という意味合いをなくせば、実験それ自体としては番組としての面白みに欠けるものになってしまいます。
質問者様は両方を見ているのでこういう風に質問として出しています。２３５５しか見ていない人は単に「やはり動くんだ」と思うだけになるでしょう。

この回答への補足

>平成教育委員会の番組でやったというのはかなり前のことではないでしょうか。

そう判断されたのはなぜでしょうか?　
放送時期と何か関係があるのでしょうか?

ちなみに平成教育委員会でこの実験が放送されたのはつい数週間前のスペシャルです。
2355のほうの実験は数か月前です。
2355のほうでは、豚の鼻息で進む船（もちろん豚は船に乗っています）のアニメをまず見せて、「この船は本当に動くのでしょうか」というテーマのもとで実験が行われました。

補足日時：2012/10/11 09:34

No.12 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/10/05 06:53

　ちょと横レスです。

#8　補足欄>なぜ移動距離を求めるのに質量が出てくるのかがよくわからないのですが……。
#8　補足欄>台車や人の速さのデータがないのに移動距離が求められるというのもよくわからないです。

　徹夜明けで数式の導出は確認していませんが、台車の地面に対する摩擦などが無いとすれば、「全体の重心は移動しない」ということで求められます。

　台車の上の人がどのようなやり方（速さやその変化など）で、台車の一方の端から反対側の端まで移動しても、結局は、人と台車を合わせて考えた重心は移動しません。

　そういう変化でも、台車だけ見れば、台車は移動します。それは、人が移動して重心が移動しようとすることを打ち消す分だけの移動ですから、台車の長さ（＝人の移動距離）と台車の質量と人の質量が分かれば、計算できるわけです。

この回答への補足

もしかして「動いている台車の上を歩く」のではなくて
「台車の上を歩くことによって台車も移動する」という話なのでしょうか?
それだったらわからないでもないですが。

補足日時：2012/10/11 09:26

No.11 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/10/05 06:40

　もう少し、帆の方向に動いた実験例（2355）を単純化・極端化したほうがいいかもしれません。

　手応えで感じられる、ホースで水を勢いよく庭に撒くときのことを考えてみます。

　手が受ける力は、ホースの先から水を飛ばしている方向と正反対であって、蛇口から水が出る向きではないですし、そこからの途中のホースの向きでもないです。

　プロペラの風でも同じです。もしプロペラの風を全て、曲がるパイプの入り口に吹き込むようにすれば、その風による推進力は、パイプの出口の向きと正反対になります。

　帆の形状次第では、空気は見えないけれども、空気の流れをそうしたパイプやホースようにすることもできるということを、2355の実験は示したかったのでしょう。

　一方、動かないほうですが、やはり前回申し上げたように内力ということです。

　今まで（今でも）、内力による推進機関をいろいろな人が考案しました。特許出願を試みた人も少なくないようです。

　たとえば「遠心力を利用する」というのも多いようです。単純な例で説明しますと、棒の端を持って回して遠心力を発生させるのですが、ある方向のときに速く回し、その反対側では遅く回すと、遠心力に差があるから、一方向に進むことができるというものです。

　もちろん、進みません。棒を回す速度を変えるときの力の作用が、遠心力の差の作用と釣り合ってしまうのです。その結果、ある場所で細かく前後に揺れるだけで、一方向だけには進みません。

　そういう、「内力では推進力を得られない」ということを、平成教育委員会の実験は示したかったのだと思います。

No.10 回答者： htms42 回答日時： 2012/10/03 06:58

＃９です。

すみません。訂正です。

＞＃７では、平成教育委員会の方は「摩擦が動きを打ち消すぐらい大きくなっているのだろう」と書かれています。

「＃７」の回答ではなくて「＃６」の回答です。
＃６様、＃７様、申し訳ありません。

この回答へのお礼

回答が多いのでまとめてお礼をします。
皆様ありがとうございました。
どれが優れた回答かを素人が判定するのは非常に難しいので
締め切るのは再度回答をじっくり読み直してからにします。

お礼日時：2012/10/05 06:23

No.9 回答者： htms42 回答日時： 2012/09/30 10:58

＃８です。

補足です。
＃８で「平成教育委員会での実験は調整されている可能性が高い」と書きました。
私の考察では帆の方向に動くということが予想されるという結果でした。

＃７では、平成教育委員会の方は「摩擦が動きを打ち消すぐらい大きくなっているのだろう」と書かれています。逆に言うと台車と床との間の摩擦を考えないという前提であれば動くはずだという結論です。

でも台車が動くか、動かないかを問うような問題で「実は摩擦が大きくて動きませんでした」というのであればペテンです。予備実験をやった時に摩擦の影響が大きいということが分かればパワーの大きな扇風機を用意するとか摩擦の小さい台車を探すとかの対応をとっているはずです。
（本当に摩擦が大きかったのかどうかは分かりませんが）動かなかったという結果が予測に合うとしてその実験条件を採用したのでしょう。「動かないはずだという予測（または、思い込み）があった上での実験だろう」という推測が成り立ちます。「内力では全体の重心の運動を変えることが出来ない」という原理に引きずられてしまったのです。
空気という、物体のイメージの弱いものを送っていますので「重心は動かない」を「台車の重心は動かない」という意味に考えてしまったのではないでしょうか。動かないのは台車の重心ではありません。台車と台車の上で移動する物体とを合わせて考えたときの重心です。動く空気を一緒に考えると全体の重心は考えにくいです。それは、とりもなおさず、「台車と台車の上にある物体とが閉じた系を作る」、「動くのも、止まるのも、台車との間で働く力によって起こる」という前提が成り立っていないということを表しているのですが、・・・そういう風には受け取らなかったようです。物体を除外して台車だけに原理を当てはめるということをやったのでしょう。

ＴＶのクイズ番組には必ず顧問、または助言者がいるはずです。司会者やディレクターが問題を考えているのではないというのは当然のことのはずです。番組の内容はその助言者の理解のレベルによって変わります。

以前、どこかの（早押し）クイズ番組でのことです。
「温度が上がると雪が溶けるような現象を何というか？」という問いに、ラサール石井が「溶解」と答えたことがありました。「ピンポン、正解です」という結果になりました。
これも助言者のレベルです。

No.8 回答者： htms42 回答日時： 2012/09/29 14:51

番組によって実験結果が変わってくる

（Ａ）条件の違いによって起こることが異なる
　　　
この条件の違いが意識されていない可能性があります。
しかしこういう問題を作成したということで考えると結果に対する何らかの予測が存在したはずです。
その予測とはこれまでの回答に見られるように「衝突の問題」としてとらえて運動量保存則を当てはめての結果です。内力によっては全体の重心を変えるような運動は起こすことは出来ないという判断がそこから出てきます。
実際は２つの異なる結果が出てきています。単純化されていない場面でのものですからどの条件がどこに効いて来るのか、どの効果が大きいかの判断が難しいのです。

（Ｂ）予測に合うように条件が調整されている

という可能性もあります。
どこを操作しているかを判断することは結果を聞いただけでは難しいです。

私のイメージでは平成教育委員の実験の方が調整されている可能性が高いと思います。
「内力は全体を動かす仕事をすることは出来ない」に合わせようとしている可能性があります。

次のように考えました。

滑らかに回転することのできる車の付いた台車（質量Ｍ、長さＬ）を考えます。
（１）台車の上を人（質量ｍ）が左端（Ａ）右端（Ｂ）まで歩きます。
　　台車は左に動きいて止まります。台車の止まるまでの移動距離は２ｍＬ／（ｍ＋Ｍ）です。
（２）Ａ，Ｂに人が立っているとします。
　　ＡからＢに向かって質量ｍの物体を投げます。Ｂの人はうまく受け止めたとします。
　　２人の人の質量を台車の質量と合わせたものをＭ’とします。台車の移動距離は２ｍＬ／（ｍ＋Ｍ'）です。
（３）Ａが人、Ｂが壁だとします。（台車、人、壁を合わせて質量はＭ'）
　（イ）Ａが投げた物体が壁に当たって跳ね返り、台車の床を転がって台車の上で止まったとします。
　　　物体が止まれば台車も止まります。台車の移動距離は物体の止まった位置によって変わってきます。
　　　台車は一度左向きに動いた後、右向きに方向を変えて動いてから止まります。
　　　Ａまで戻ってきて止まったのであれば投げる前と同じ状態に戻っているはずです。。
　（ロ）跳ね返った物体が台車の下に落ちて床の上を転がって行ったとします。
　　　台車は右側に動き続けます。

（３）（イ）では動いた後で止まりますが（ロ）では動き続けています。(ロ）の場合、系は閉じていません。

扇風機で風を送り、帆が受け取るという場面は（３）（ロ）に対応すると考えられます。
ポイントは投げられた物体が壁に当たって跳ね返った後、台車の外に出て行くというところです。　　　

この回答への補足

>台車は左に動きいて止まります。台車の止まるまでの移動距離は２ｍＬ／（ｍ＋Ｍ）です。

なぜ移動距離を求めるのに質量が出てくるのかがよくわからないのですが……。
台車や人の速さのデータがないのに移動距離が求められるというのもよくわからないです。

補足日時：2012/10/05 06:16

No.7 回答者： tknakamuri 回答日時： 2012/09/29 01:12

おもしろそうなので、ちょっと考えてみました。

プロペラがある空気の塊に運動量 p を与えると、台車はその反作用でプロペラ方向にpの運動量を得ます。

一方、帆で空気の塊が180度反射したとすれば、帆は帆の方向に 2p の運動量を受けるはず。

差し引き、帆の方向に運動量 p を受けるので保の方向へ動くことになります。

もちろん、空気の塊がきれいに180度帆で反射されるわけはないので、全体としては差はもっと小さくなると思いますし、帆の形状によっては逆転さえありえると思います。帆ではなくて180度曲がった筒などを使うと効率が良さげな気がします。

No.6 回答者： natsyosayo 回答日時： 2012/09/28 23:43

実際は、帆の作り方次第で３つのケースがあるんですよ。

１．帆の方へ動く
２３５５の実験がこれだったんですね。この原理は多くの方の回答に出ていますので参照してください。

２．動かない
平成教育委員会ではこれだったんですね。本来１．３．であっても、その力が摩擦を上回らなければ動かないという場合も有ります。

３．帆の反対側（プロペラ側）へ動く
これは極端に分かりやすくすれば、帆といってもマストに毛が生えた程度の小さいものであれば、プロペラ飛行機と同じように、空気を押す反作用として空気の吸い込み側へ向かう力が働きます。