考えるカラス　解答

Question

大人です。
ＮＨＫ考えるカラスという子供向け科学番組で、不思議な科学現象を実験して、途中まで説明する（後は自分で考えてね）というコーナーがあるのですが、
恥ずかしながら、説明できない科学実験がありました。

それについて解説・解答をお願いしたいと思っています。
実験１
小さな鉄球（パチンコ玉くらい）を紐の先端に取り付け、「振り子」のイメージで紐を固定します。
鉄球を任意の高さまでまで上げててを離すと、まさしく「振り子」のように鉄球は左右に行ったり来たりしてしばらくこの運動をつづけますよね。
この鉄球にアルミニウムの板を触れないようギリギリのところまで近づけて置く（振り子の軌道の最下点）と鉄球は左右に振り子運動するのをやめ、ピタリとアルミニウム板の上で静止します。
なぜでしょう？

実験２
天井から2本の紐を垂らし、その先に自転車の車輪をスポークで貫通させて吊るします。吊るされた状態の車輪を勢いよく回転させ、2本の紐の1本を切ると車輪は姿勢を崩すことなくそのままの状態で回転を続けます。
「宇宙コマ」というのはわかっているのですが、、、、なぜでしょうか？

よろしくお願いいたします。
一応大人ですけども、解説は子供にも判るようなやさしさでお願いします。

kyo-mogu · Accepted Answer

１、　アルミの中に電気が発生します。電気が発生することで磁場。磁石が出来たと考えて下さい。その力の方向が引き寄せる力と反発する力が振り子の動きによって変わっていき、引き寄せて、ブレーキ。引き寄せてブレーキの繰り返しで、次第に力を弱められて、止まる。

２、ジャイロ効果は高速で回転する物がその場で留まろうとする力です。コマはこのジャイロ効果で回ります。その効果が続く限り、姿勢を保とうとするので、横に成っても維持しようとします。しかし回転が弱くなると効果が無くなっていき重力に逆らって落ちてしまいます。
　宇宙コマや地球コマなど呼ばれる物以外でも、普通の子供用のコマも普通に投げて、ひもをつかったわざとして、綱渡りなどが可能です。
　その時にはコマは横向きにして、軸をひもにのせると出来ます。

コマの中に面白い物が有ります。今は入手が困難のようですが、小さいコマを回し、それを浮かせて回す物が有ります。磁石をつかった物ですが、宙に浮きながら回るのは面白いですよ。

これらの実験は科学館で同じような事を再現出来る事があります。　実験１は金属の筒の中に落下させてゆっくりと落ちて来ると言うもの。実験２は自転車の車輪みたいなものをつかったもので、回転する椅子の上に座って、コマみたいになった物を持って、傾けると右に、左にと回転するというものです。

科学館だと、もう少しわかりやすい解説やイラストなどが描かれています。是非科学館などに行って確かめてみて下さい。

htms42 · Answer

実験２
＞2本の紐の1本を切ると車輪は姿勢を崩すことなくそのままの状態で回転を続けます。

本当でしょうか。
少し傾いた状態で天井の固定点を中心とする鉛直軸の周りを回るようになると思うのですが。

回転軸の方向を鉛直方向にして回っている独楽の軸の上の端に横向きの力を短い時間加えたとします。
少し横に動いてから味噌擂り運動（歳差運動）に移ります。（床との接点が床の上を移動することが禁止されていれば歳差運動だけが起こりおます。）

独楽の軸の周りの独楽の回転ωと鉛直軸の周りの独楽の回転Ωと2つの回転が一緒に起こります。
加えた力は独楽の回転ωの大きさを変えるものではありません。向きが変わります。そうであれば新たに生じた回転Ωのエネルギーはどこから来たのでしょうか。傾いたことによって位置エネルギーの減少する分が回転Ωの運動エネルギーになるようです。

紐を切っても水平のままということはないと思います。
今まで釣り合っていたのが紐を切ったことによってつり合いが破れました。
独楽の上端に激力を加えたのと同じ状態が実現しています。重心が少し下がった状態で鉛直軸の周りに回転するようになると思います（この時、紐も鉛直から少し傾いているはずです。）
（そのまま下に落ちてしまうということが起こらないというのが意表を突くところなのですから水平か、水平でないかに目がいかないのかもしれません。）

lazydog1 · Answer

>実験１

鉄球ではなく強い磁石の振り子ですね。それをアルミ板のぎりぎり上を通るように振らせてみると、すぐに止まってしまう。磁石はアルミにくっつかないのになぜ、という実験です。

このバリエーションとして、円盤（もしくはリング）の磁石をアルミパイプの中に落としてみるという実験もあります。ゆっくりと落ちて行きます。もう、降りて行くといってもいいくらい、ゆっくりです。

これは電気と磁気はセットになった力だということを示す実験です。アルミは磁石にはくっつきませんが、電気は流れます。そしてどんな金属であれ、磁力が変化すると電流が流れるのです。

その電流は磁力を作ります。その磁力は磁石による磁力の変化を妨げるように発生します。これに関する詳しい説明は割愛しますが、もし逆だったら大変なことになってしまいます。アルミ板の上で磁石を動かしたら、ますます加速することになります。永久機関ができてしまいますね。

アルミの上の磁石の振り子に戻ります。振り子の磁石は加速しながらアルミに近づいてきます。近づくほどアルミは強い磁力の変化を受けます。その場所が移動していきます。そうすると、アルミには磁石の動く方向に沿って電流が次々と生まれて行きます。渦を巻く電流です。

その電流により磁力が発生し、その磁力は振り子の磁石が動くのを妨げるような向きになります。だから、止まってしまうのです。

>実験２

回転する車輪は重力に逆らってでも向きを変えない、というものでしたね。この実験をみたとき、「これは『後は自分で考えよう』というのは、ちょっと辛いんじゃないか」と思いました。
　コマが倒れないのと同じ理屈なんですが（宇宙コマだけではない）、ちゃんと理解するのは割と難しいんです。それだけを解説するのに、力学の基礎的な知識があることを前提に、一冊の本になっているくらいです。

この現象には名前が付いていて、ジャイロ効果と呼ばれています。非常に大雑把な説明をしてみます。動く物は力が加わらない限り、まっすぐ動こうとしますね。真っ直ぐな棒が、棒の軸線方向に進んでいるとして、その進む向きを軸線方向ごと変えるとしたら、棒全体に力を加えなければなりません。棒が重いほど、棒の速さが速いほど大変です（大きな力が要る）。

速度を持つまっすぐ棒をぐぐっと曲げて、回転するリングにしても、似たような状況になります。回転するリングを傾けるのは、速度を持つまっすぐな棒の進む方向を、棒の向きごと変えるのに相当します。リングが重いほど、リングの回転が速いほど、傾けるのは大変になります。だから、回転する車輪（リング、さらに円盤でも同じ）は簡単には向きが変わらないのです。

ORUKA1951 · Answer

(1) 鉄球ではなく磁石では？
　電磁誘導です。レンツの法則
　アルミ板は金属ですから自由電子があります。磁石が近づくと電子はその磁力の変化を妨げる方向に移動して磁界を発生します。そのため磁石は力を受けて停止します。

(2) 実際には、糸を中心に旋回します。添付図のように
　回転していることも運動エネルギーの一形態です。とりあえずその運動方向を回転方向に対して垂直な方向とします。右ネジとすると←）））↑(回転方向)
　これに対して、下向きの重力によるトルクがかかると
←）））
　　↓重力　となるとこれに対して手前方向に回転トルクがかかりますから、←は手前側に旋回します。
　これは、高校生以上への説明になります。
　小学生に対しては、ホイルを作っている粒子の運動方向で説明します。周囲のすべてが慣性
で移動していますので、それひとつひとつ--と言っても上下左右４点について考えます。長くなるので割愛します。それぞれの点が移動し続けようとするが動く方向が制限されていることによって、下向きに回転軸を変えることができないと・・

個人的には、小学生にも説明する自信はありますし、実際科学教室で指導しています。

振り子はネオジム磁石の球をアルミ板の斜面を転がしたり、アルミ(銅)パイプの内側に落としたりしてます。振り子も良いアイデアかも。
　自転車のホイルのほうは、地球ゴマですかね。

★材料を揃えて、実際に試すことが一番です。それにまさるものはありません。
　説明はしないでください。必要もありません。

電磁誘導は中学校で、鋼体の回転運動は高校生で学びます。それまで、楽しみに取っておきましょう。中学校を卒業してたら、(1)は、高等学校を卒業してたら(2)は説明できるはず(^^)

satoron666 · Answer

http://matome.naver.jp/odai/2136971713227693701?&page=2

上記サイトに書いてあります。
うーん、私もあまりよく分かっていませんが…

h ttp://katochan-tyumoku64.blog.so-net.ne.jp/2013-08-20
上記ブログ？にも書いてあります。

うーん、私には上手く説明できません・・・

okormazd · Answer

1.
単なる鉄球ではありません。磁石です。
電磁誘導、磁石の運動を妨げるように誘導電流が発生します。
2.
ジャイロです。
回転体は回転軸を一定方向に保とうとする。

「解説は子供にも判るようなやさしさ」では無理のような。「そうなっている」というしかないでしょう。

考えるカラス 解答

１、 アルミの中に電気が発生します。

実験２

>実験１

(1) 鉄球ではなく磁石では？

1.

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