ヨーヨーが戻る原理について教えてください

小学生の子に、
『ヨーヨーはなぜ戻ってくるの？』
と聞かれています。
噛み砕いて答える前に、私が理解しないといけないのですが、以下で合ってますでしょうか？

・ヨーヨーは手の高さでまず位置エネルギーを持つ。

・手から放された瞬間、軸とそれを巻く糸の間で摩擦が働き、軸は(ヨーヨーは)回転する。

・その結果、「位置エネルギー」+「運動エネルギー」をヨーヨーは持つ。

・糸が一番下まで伸びた時、糸の張力が働き、慣性の法則から、ヨーヨーは反転する。

・ここでエネルギー保存の法則より、張力で引かれた以外のエネルギーはまだ残っているので、上昇方向への回転(運動エネルギー)へと変わる。

私としてはこんな感じで理解してます。
今の段階(子どもに噛み砕く前の段階)でどこか間違ってたらどなたか指摘ください。

あと、ヨーヨーの回転が反転するには、自分でちょっと引っ張りあげないといけないと思うのですが、あれを物理ではどう説明するのが正しいでしょうか。

あの瞬間に逆回転となる理屈が私自身、よく分かってないのでどなたかお教え下さい。
よろしくお願いいたします。

No.5 ベストアンサー 回答者： yhr2 回答日時： 2017/04/26 20:55

No.4です。

No.4で上げたリンク先には「回転しにくさ」と書いてありますが、これは「止まっているものを回転させるときの回転しにくさ」ということであり、回転しているときは「止めにくさ」ということになります。
つまり、「一定の回転を続けようとするもの」ということです。

重い電車は押してもなかなか動かないが、逆に、動いている電車はなかなか止まらない、というのと同じです。これが「慣性」ということです。

ヨーヨーも、下るときに軸まわりの「おもり」が回転し、最下端で最も回転が大きくなり、それが「止まりにくくて、行き過ぎて糸を巻き上げる」という動作をしているのです。

向かい合った斜面があって、一方から転がしたボールは、最下部では止まらず、勢い余って反対側の斜面をかなりの高さまで登りますね。これと同じです。
この例が一番分かりやすいかな？

この回答へのお礼

慣性は子供にもわかり易いと思うのですが、この
◆向かい合った斜面があって、ボールは反対の斜面まで登る
という表現と、
◆最下端でもっとも回転が大きくなる＝だから止まりにくい＝だから糸を巻き上げる
という表現がとっても分かりやすかったので、ベストアンサーとさせていただきました。
世の中に厳然として存在する物理現象でもどのように例えるか・どのように表現するかで
ストンと腑に落ちる「落ち方」が変わるものですね。

例えのうまさに感動しました。
ありがとうございました！！

お礼日時：2017/04/27 00:15

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2017/04/26 23:33

＞あの瞬間に逆回転となる理屈が

逆転してないですよ。ヨーヨーをよく見てみましょう。
逆転はヨーヨーが手元に来たときです。

No.4 回答者： yhr2 回答日時： 2017/04/26 20:48

「はずみ車」と同じ、回転の慣性モーメントでしょう。

半径が大きく、外側の質量が大きいほど「慣性モーメント」は大きくなります。
http://www.buturigaku.net/main01/RigidBody/Rigid …

この回答へのお礼

や、そのサイトは実はすでに拝見していて、それ以外にも以下のサイトを見ながら、高校時代の記憶を呼び起こそうとしていたのですが、いかんせん難しく。
あと、「はずみ車」というもの自体を、私が恥ずかしながら知らないのです。
検索してみましたが、何だろうコレ・・・という感じです。
蒸気機関車などのピストン運動を回転運動に置き換えるものですかね？

https://oshiete.goo.ne.jp/qa/450754.html
http://www.wind.sannet.ne.jp/nakahiro/yoyo/equat …
https://ja.wikibooks.org/wiki/%E9%AB%98%E7%AD%89 …

お礼日時：2017/04/27 00:08

No.3 回答者： shouga999 回答日時： 2017/04/26 19:16

小学生の子相手でしょ？

簡単に
「降りる時の回転力が、下いっぱいに届くと今度は逆に糸を巻き込むから上がってくる」
で充分じゃん

＞ヨーヨーの回転が反転するには、自分でちょっと引っ張りあげないといけないと思うのですが、
回転は反転してません。「いけない」って意味不明ですが
元の高さに戻すには、外からエネルギーを与える必要あってそのようにします。

ほったらかしだと摩擦などで運動エネルギーが失われ元の高さに戻ってこないので。

No.2 回答者： angkor_h 回答日時： 2017/04/26 19:12

まず、紐をまいた球を離すと、紐がほどける方向に回転して、

最下段に来た時には、紐先の輪の中で球軸が空回りしています。
ここで紐を少し持ち上げると球も持ち上がって軸に紐が絡まって、
球回転方向に紐がまき取られる結果、球が昇っていきます。

球の回転方向は変化しません。

最下段で回転して止まるのは、
球の重さ、球軸の太さ(回転モーメント)、紐との摩擦力、の関係になります。
回転の永続時間は、球の重さによる回転エネルギーになります。

大人の知識を駆使して説明すると子供の理解が及びません。
感じたままの説明で十分と思います。

この回答へのお礼

ヨーヨーの回転がそのままであることに恥ずかしながら気が付いていませんでしたので、最下点に来た跡に、軸に紐がからまって、回転方向に紐が巻き取られる結果として、ヨーヨーが上っていくという表現はとても分かりやすかったです。
ありがとうございました！

お礼日時：2017/04/27 00:11

No.1 回答者： hanzo2000 回答日時： 2017/04/26 19:00

巻き方が逆になるだけで、逆回転はしていません。

引っ張り上げないといけないのは、引っ張らないと手元までヨーヨーが戻らないからです。
摩擦等で落下の位置エネルギーが一部熱エネルギー等に変換していますからね。

引くことでヒモと軸の摩擦を瞬間的に増やし、戻りやすくするという理由もあります。

位置エネルギーがヨーヨー本体の回転（運動）エネルギーに変わって、
最下点において、位置エネルギーによる回転エネルギーへ変換が終わり、
ヨーヨー本体の回転エネルギーの行き場がなくなって巻き戻し動作になり、
回転エネルギーが位置エネルギーに変換されるだけです。

この回答へのお礼

巻き方が逆になるだけで、逆回転になっていないのは気付いていませんでした・・・！
言われてみれば（よくヨーヨーを見れば）そのとおりでした！
ありがとうございます！

お礼日時：2017/04/26 23:58