ヨーヨーが戻る原理について教えてください

Question

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。

yhr2 · Accepted Answer

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？

tknakamuri · Answer

＞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。

yhr2 · Answer

「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/RigidBody13.html

shouga999 · Answer

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。

angkor_h · Answer

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。

hanzo2000 · Answer

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。

ヨーヨーが戻る原理について教えてください

No.4です。

＞あの瞬間に逆回転となる理屈が

「はずみ車」と同じ、回転の慣性モーメントでしょう。

小学生の子相手でしょ？

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、

巻き方が逆になるだけで、逆回転はしていません。

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