2018年10月12日 (金)

三ツ矢サイダーを飲んで…「二酸化炭素が水に溶けた~!」実験

「二酸化炭素が水に溶けた~!」実験とは…
三ツ矢サイダーを飲んで(別にペットボトル入りの炭酸飲料なら何でもいいのですが、たまたま私が飲んでいたのが、三ツ矢サイダービターライムだったので)
飲み終わったら、すぐにペットボトルのキャップを閉じ、水道の蛇口のあるとこに行き、キャップを開け、水を下図の水色矢印ぐらいまで入れ、キャップを閉じ、ペットボトルをシャカシャカ振ります!すると~
Bitterlime12
ペットボトルが上図の赤矢印で示したように凹みます!
さて、ペットボトルはなぜ凹んだのでしょう?

サイダー(炭酸飲料)を飲み終わった後のペットボトルの中に入っている物は?
二酸化炭素ですね。(飲んでる間に空気が入ってますから、二酸化炭素だけじゃありませんけど、通常の空気よりは二酸化炭素濃度の高い気体です。)
そこに水を入れてフリフリしたら、気体の体積が減った~!ということは…
二酸化炭素が水に溶けたからと考えられます。

このことに気付いてから、三ツ矢サイダーを飲み終えると、すぐさま水をちょっと入れて、シャカシャカ振って「お~!また凹んだよ~(^o^)」ってやってます。←何のために?
え~ペットボトル正多面体を作ってみようかな~と思って、空のペットボトルを集め始めたんです。
ペットボトル正多面体がどんなものかは↓こちらをご覧ください。
2004/02/14 府中市青少年のための科学体験フェスティバル「鏡の中のサッカーボール」「ペットボトル正多面体」
ペットボトル正多面体の1辺にペットボトルが2本なので、
正20面体を作るには(辺の数は30なので)ペットボトルは60本必要なんです!
毎日職場で1本 三ツ矢サイダーを飲んだとして、3ヵ月もかかる~(≧σ≦)
まぁ、最初は正4面体→辺6本→ペットボトル12本が目標(^o^;

※関連記事
2018/10/10 三ツ矢サイダービターライムのイラストが「ミトコンドリア」な件

※ところで、「二酸化炭素が水に溶けた~!」実験…またの名を「ペットボトル洗い」していて、「二酸化炭素って水によく溶けるんだね~」と思ったら、そうではないらしい。
「二酸化炭素って水によく溶ける」で検索
二酸化炭素って水に溶けやすいんですか? - たくさんは溶けませんが、少しは溶けます。 - Yahoo!知恵袋 この中で…『「”大気中にある気体の中では”と頭に説明を加えれば正しい」とも言っていました。窒素や酸素と比べて、二酸化炭素はかなり水に溶けやすいのだそうです。』
どのくらい溶けやすいの?
気体の性質5 酸素は水に溶けにくい - Kissieの『えっ!もうおわり?』 によりますと…『少し溶ける二酸化炭素は水1cm3に0.88cm3溶けます。これは酸素の約30倍ほど溶けることになります。』…だそうです。

2018年3月24日 (土)

ネオジム磁石を安全に持ち帰る方法…磁力線を閉じ込めろ!

2個の磁石をN極とS極を対にして並べ、鉄板で挟むと、磁力線を閉じ込めることができます。
Neodym10 Neodym11

ネオジム磁石は非常に強力な磁石なので、磁気カード(銀行カード,クレジットカード等),パソコン,ゲーム機,携帯電話,ビデオテープ等の近くに置くと、情報が消えたり、電子機器の動作が異常になったりすることがあります。また、ネオジム磁石を誤って飲み込んでしまった場合、医師による適切な処置が必要です。

科学イベントや科学教室でネオジム磁石を使う実験や工作を行い、ネオジム磁石を持ち帰らせる場合は、ネオジム磁石についての注意を十分にしておくことが必要です。
昔とある科学イベントでとある団体が「ガウス加速器」の工作実験をしていて、作ったガウス加速器をお持ち帰りさせていたのですが、ネオジム磁石をそのままホイと渡してるのを見て… おいおい、それで大丈夫なの? と思ったことがあります。
正多面体クラブでは『ネオジム磁石はすごいゾ!』というネオジム磁石で4つの実験ができるキットを開発?しまして、その説明書の中には「ネオジム磁石についての注意」を目立つように記載してます。
『ネオジム磁石はすごいゾ!』の説明書FDF
さらに、単に注意するだけでなく、ネオジム磁石を安全に持ち帰るための対処もしています。それが、ここで説明する「ネオジム磁石を安全に持ち帰る方法」です。※これ、単なる安全措置ではなく、これ自体が科学ネタなんですよ~ なので、4つ目の実験「磁力線を閉じこめろ!」としてます。(^^)v

用意するもの
ネオジム磁石:円筒形の小さなもの(φ5mm×5mmぐらいのもの)2個
 磁力線を閉じこめるためには、磁石が2つ必要です。※科学イベントなどでネオジム磁石ネタをやるときは、ここがチョット予算的に厳しいところですが、「安全」のために、単価の安いネオジム磁石を探してやっています。
ワッシャー:2枚。必要なのは小さな鉄板(ネオジム磁石のN極S極(φ5mm)を被うことのできるサイズの鉄板)なのですが、簡単に安く入手できるのがワッシャーでしたので、「M5×16」というワッシャーを使っています。(M5×16ワッシャーの穴はφ5.5mm、輪っかの幅は5mm、厚み1.6mmでした。)ここで重要なのが、輪っかの幅。これがネオジム磁石のサイズと同じか大きくないといけません。輪っかの幅がネオジム磁石より小さいと、磁力線が漏れてしまって、磁力線を閉じこめることができません。

磁力線を閉じこめろ!
Neodym01 Neodym04
2個のネオジム磁石を上の写真のように並べてくっついた状態にして、それを2枚のワッシャーで挟みます。それだけです。
Neodym07 Neodym06
裸のネオジム磁石には鉄球がバチバチバチ…っとくっつきますが(左の写真)、ワッシャーで挟んだネオジム磁石には鉄球がくっつきません。あれ?あの強力なネオジム磁石の磁力はどこに消えてしまったの~?
でも、これでネオジム磁石を安全に持ち帰ることができます(^^)v

なぜ?
それを説明するには「磁力線」で説明をします。
「磁力線って何?」という場合は、こちら→磁力線を見てみようを見てください。
Neodym10 Neodym11
ネオジム磁石を2つ並べてくっつけた場合のN極とS極、磁力線の様子は、だいたい左の図のような感じ。磁力線がネオジム磁石の周りにあふれてますから、近くに鉄を近づけると、くっつきます。
2つ並んだネオジム磁石の上下に鉄板をくっつけると…磁力線の様子は、だいたい右の図のような感じ。(灰色の部分が鉄板です。)磁力線は空気中にあふれ出ないで、ほとんどが鉄板の中を通っています。磁力線が鉄板の中を通るのは、鉄板の中の方が通りやすいから(楽だから)らしいです。それは「なぜ?」…それ以上は、私は知らないので説明できません(^^; どこかで「磁石をN極とS極を対にして、鉄で囲めば磁力は漏れない」と聞いた記憶があるので、やってみたら確かに磁力を閉じこめることができた~(^o^)/
※私、この様に磁力線を閉じこめたネオジム磁石を鞄の中に入れ、その鞄には磁気記録の銀行カードが入った財布も入れて、何ヶ月もその状態ですが、銀行カードはちゃんと使えてます。つまり、こうしておけば、ネオジム磁石が磁気記録を破壊することはない。と実証できてます(^^)v

※この記事の作成日は 2010/07/26
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了したので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。

2018年2月 4日 (日)

磁力線を見てみよう~【磁力線可視化装置】を作る

Magfl2
「装置」と言うほどの物じゃありませんが(^^;
磁力線は3Dで理解することが大切だと思うのです。


磁石にはN極とS極があって、異なる極(N極とS極)は引き付け合うけど、同じ極同士(N極とN極、または、S極とS極)は反発します。…と、小学生に説明したら、学校では「反発」じゃなく「互いに退(しりぞ)け合う」と教わったよ~とのこと。。。(へ~そうなの~)
Lomf01
で、磁石の力のことを「磁力」と言います。磁石の力は「磁力線」で説明されます。磁力線はN極から矢印が出て、S極に矢印が入るように書きます。(矢印の向きは昔決まったお約束)
Lomf02
N極とS極を向き合わせて置くと…N極から出た磁力線が真っ直ぐにS極に入って~引き合う気がするね。
Lomf03
N極とN極を向き合わせて置くと…矢印がぶつかって~反発する(互いに退け合う)感じが分かるね~。
でも、磁石の周りに磁力線なんて見えないよね~。ほんとに磁力線なんてあるの~?
Lomf04
では、磁力線を見てみましょう…と、よく見せられるのが、磁石の上に紙かプラスチックの板を置いて、その上に砂鉄をまいて磁力線を見るというもの。ほら、砂鉄が磁力線に沿って並んだでしょ~。
でも、この方法、子供たちに試させてみるのはいまいちです。
砂鉄をこぼすと掃除しなくちゃならないし~
こぼした砂鉄を磁石で集めても、それを剥がすのが大変だし~
異なる極、同じ極を向かい合わせた場合など、いろいろな場合の磁力線の観察がやりにくいし~
磁力線は3次元空間に広がっているのですが、これだと2次元の広がりしか観察できないのです。
Lomf00
そこで、(砂鉄ではなく)カラークリップを短く切ったものを蓋付きのプラスチックカップに入れて、カップの外側に磁石を置き一振りすると… お~!短いカラークリップが磁力線に沿って並んでる~!しかも3Dだ!!

用意するもの
カラークリップ(適量:10~100個ぐらい)
ペンチ(バネ付きで、握って切った後、自動的に開くものがよい)
短めの棒磁石(ちょっと強力なものが観察に適してます)2個以上
透明な蓋付きのプラスチックカップ

カラークリップを切る
カラークリップを真っ直ぐに伸ばして、ペンチで2~3mmの長さに切ります。 カラークリップを真っ直ぐに伸ばすと、87mmくらい。これを2~3mmの長さに切ると、1本のカラークリップで約30回ペンチでパチパチ切ることになります。 100本だったら3,000回ペンチでパチパチ… 手にマメができちゃいますから、最初は10本ぐらい切って観察してみましょう。でも、10本ぐらいだと量が少なくて、観察したときこのページの写真のようにはなりません。ですから、後は自分の気の済むまでカラークリップをパチパチ切ってください(^^;

観察してみよう
Lomf00b
透明なプラスチックカップに、細かく切ったカラークリップを入れ蓋をします。カップの底に短めの棒磁石を横向きにくっつけて手に持ち、カップと磁石を縦に一振りすると… カラークリップが磁力線に沿って並びます。

Lomf18b
2本の棒磁石を縦向きにくっつけて離したら、そのままの向きで、1本の棒磁石をカップの上に、もう1本をカップの下に…2本の磁石を持ったままカップをはさむようにして、カップと磁石を縦に一振りすると… カラークリップが2本の磁石の間に縦に並びます。異なる極(N極とS極)が引き付け合うときの磁力線は、こうなっているんだよ~。

Lomf21b
次は(そのまま)下側の磁石を逆向きにしてみよう。同じ極同士(N極とN極、または、S極とS極)が反発することになるから… ほら、カラークリップが花のように開いた!

Lomf20b
4本の棒磁石をカップの周りに十字において、それを手に持ってカシャと振ると… こんな風になる。
お~!これは磁力線アートだね~(^o^)/ いろんな磁石の配置を試して、磁力線アートを楽しんでみよう!
Lomf14 Lomf15 Lomf23 Lomf24 Lomf17
Lomf25 Lomf26 Lomf27 Lomf28 Lomf29
Lomf20 Lomf30 Lomf31 Lomf32 Lomf33


※この記事の作成日は 2008/09/30
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了したので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。

※関連記事
2004/08/28 ぶしぎ発見科学教室「磁石で遊ぼう」
2004/08/29 新町文化センターマックカーニバル「ガウス加速器」
2004/09/04 ぶしぎ発見科学遊び「磁石で遊ぼう」
2006/07/08 府中市立第一小学校 科学フェスティバル「磁力線を見よう」
2009/05/23 ふしぎ発見科学教室「磁石で遊ぼう」
2015/08/09 博物ふぇすてぃばる!2015出展してきました~
2016/08/05 砂鉄と磁石で『砂鉄ウニ~』

2018年1月24日 (水)

モアレ(moire)…干渉縞を楽しむ

Moire1bs Moire1as
等間隔に並んだ平行線を透明なフィルムに印刷して、2枚重ねて、ちょっとずらす(片方を傾ける)と・・・あ~ら不思議!別の縞々模様が現れます。これがモアレ(moire)です。
ずらす傾きを変えると、モアレ(縞々模様)の幅も変わります。

Moire2as Moire2bs
等間隔に並んだ同心円を透明なフィルムに印刷して、2枚重ねて、ちょっとずらすと・・・こんなモアレが現れます。
ずらす幅を変えると、モアレ(縞々模様)がダイナミックに変化します。

Moire3bs Moire3as
パンチングボードを2枚重ねて、ちょっとずらす(片方を傾ける)と・・・6角形のモアレが現れます。
ずらす傾きを変えると、6角形のモアレの大きさが変わります。

上のモアレ画像をクリックすると、もう少し大きな画像が見られます。モアレ模様を鑑賞してください。でもね、静止画じゃモアレの本当の面白さを楽しめません。2枚のフィルムを自分でずらしてみて、ダイナミックに変化するモアレ模様を見ると・・・お~!すごい~!おもしろい~(^o^)
透明なフィルム(OHPフィルム)に平行線,同心円,パンチングボードを印刷して、モアレを楽しんでください。

用意するもの
OHPフィルム:使用するプリンタがインクジェットプリンタなら「インクジェットプリンタ用 OHPフィルム」…A4 10枚で約\1,000でした。1枚、約\100です。ちょっと高い(^^;

私がOHPを最後に使ったのは何(十)年前でしょうか…今やPCとプロジェクターの時代ですからね~。OHPフィルムなんてまだ売ってるかな~?と心配しながら、ヨドバシカメラに行ったら、ありました(^_^) OHPはなくなっても、透明なフィルムに印刷したいという需要はあるでしょうから、心配しなくても大丈夫だったのかな?

OHPフィルムは1枚\100なので、3つのパターンを印刷すると\300になってしまいます。これでは、単価が高すぎるので、科学体験イベントで子供たちに持ち帰らせる場合は、A4に印刷したのを半分にカットして使いましょう。さらに半分、1/4にカットしても平行線とパンチングボートは全然問題ないな~。同心円はバームクーヘン1/4状態になってしまうので、ちょっと改善の余地ありです(^^;

ちょっと厚めのA4用紙:OHPフィルムが(紙に比べて)ちょっと高いので…2枚ともOHPフィルムに印刷する必要はないので(上に重ねる方だけ透明なフィルムであればよい)…片方は紙に印刷します。普通紙だと、ふにゃふにゃなので、ちょっと厚めの紙に印刷します。(普通紙でもかまいません。)

OHPフィルムに印刷する
OHPフィルムに平行線,同心円,パンチングボードのパターンを印刷します。
下の画像をクリックすると、PDFが開きますので、それをOHPフィルムに印刷してください。
Moire1p Moire2p Moire3p

Pdf 同心円4つ版も用意しました。4つにカットすると4人分になります。)

このPDFをOHPフィルムに印刷するときは、プリンタのプロパティの設定が必要です。
※以下は、WindowsXPでCanonのプリンタでの例ですが、参考までに…

・PDFの[印刷]ツールボタンをクリックします。→[印刷]ダイアログボックスが開きます。
・[プロパティ]ボタンをクリックします。→[プロパティ]ダイアログボックスが開きます。
・[用紙の種類]には、[プロフォトペーパー]を選択します。
 ※使用するOHPフィルムの使用方法の説明に合わせてください。
・[印刷品質]には、[きれい]を選択します。
 ※これも使用するOHPフィルムの使用方法の説明に合わせてください。
・[OK]ボタンをクリックします。→[プロパティ]ダイアログボックスが閉じ、[印刷]ダイアログボックスに戻ります。
・PDFの[印刷]ダイアログボックスで[OK]ボタンをクリックします。→印刷が開始されます。

紙に印刷する
上の各パターンは、1枚はOHPフィルムに、もう一枚は紙に印刷します。
プリンタのプロパティの設定は…
・ちょっと厚めの紙に印刷するなら、[用紙の種類]は[高品位専用紙]あたり、[印刷品質]は[きれい]を選択します。
・普通紙に印刷するなら、[用紙の種類]は[普通紙]、[印刷品質]は[きれい]を選択します。
※[印刷品質]を[標準]とか[早い]とかにすると、1mm間隔で並んでいる直線や円が等間隔で印刷されないことがあります。

モアレを観察する
OHPフィルムと紙に印刷したら、それらを重ねてモアレを観察してみましょう。
フィルムを自分でずらしてみて、ダイナミックに変化するモアレ模様が・・・お~!すごい~!おもしろい~でしょ(^o^)

干渉縞(かんしょうじま)
モアレとは、Wikipediaによりますと…『干渉縞(かんしょうじま)ともいい、規則正しい繰り返し模様を複数重ね合わせた時に、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様のことである。』
平行線を傾けて重ねるとモアレが発生しましたが、傾けなくてもモアレ(干渉縞)が発生することがあります。
上記のWikipediaの説明にあるように「周期のずれにより」モアレ(干渉縞)が発生しますから、周期をずらす=平行線の間隔を変えればいいんです。
Moire1ct
平行線のPDFを95%縮小して紙に印刷して、OHPフィルムを重ねたら↑こうなりました。この縞々が干渉縞です。縮小率を色々変えてみると、干渉縞の間隔も変わります。
その後、色々やっていたら、縮小印刷しなくても、このタイプの干渉縞を簡単に見られることが分かりました。OHPフィルムを紙から離して見ればいいんです。目からOHPフィルムまでの距離と、目から紙までの距離が違うので、遠くにある紙の平行線の間隔がOHPフィルムの平行線の間隔より狭く見えるので、干渉縞が発生するんです。

TAMA300
規則正しい繰り返し模様ををちょっとずらすだけでモアレ(干渉縞)が発生します。つまり規則正しい繰り返し模様がずれているか/ずれていないか?は、モアレ(干渉縞)があるか/ないかで判断できます。これは、モアレ(干渉縞)の非常に重要な応用方法なんです。
モアレ(干渉縞)を使って、スケールの大きな(そして非常に精密な)観測をしているのが、TAMA300です。TAMA300とは、国立天文台三鷹キャンパス内の地下にある基線長300mの干渉計型重力波アンテナです。「なんだそれは?」と興味を持った方は、リンクをクリックして、ちょっと小難しい説明を読んでみてください(^^;
※私が住んでる府中から国立天文台三鷹キャンパスは、まぁ近いし、年に一回、国立天文台三鷹キャンパスの一般公開がありますので、その時、TAMA300の地下に潜って300mのトンネルの中にある干渉計型重力波アンテナの装置を見ることができます。ポイントは、これが干渉を使っているということ。一般公開を見に行くなら、何の予備知識もなく行くより、モアレ(干渉縞)のことを知っていて行く方が、一般公開を楽しめますよ(^_^)v

※重力波の検出にはと~っても高い観測精度が必要で、300mのトンネルを3Kmにすれば観測精度が1桁上がるゾ!ってんで、岐阜県飛騨市神岡町の地下に建設が進んでいるのが大型低温重力波望遠鏡が「かぐら(KAGRA)」です。
あ~!KAGRAのページのトップに「アインシュタインからの最後の宿題」って出てますよ。
ん~科学のロマンですね~(^o^)
重力波を観測できたらノーベル賞もんですよ~。みんなで応援しましょうね(^o^)/~
↑と、昔書いていたのですが、LIGOがノーベル賞とっちゃいましたね。

二重スリットによる波の干渉
Moire2c
同心円のパターンを半分に切って、半円の中心を僅かにずらしてモアレ(干渉縞)を発生させると、これ「二重スリットによる波の干渉」の説明に使えますよ(^^)v

液晶ディスプレイによるモアレ
同心円のPDFを開いて、PDFの[ズームアウト]ボタンを押して、表示を25%ぐらいまで縮小してみましょう。100%ではちゃんと同心円が表示されていたのに、25%ぐらいまで縮小すると、こんな模様になってしまいます。この模様もモアレです。
Moire2m
液晶ディスプレイが細かな「画素」の集まりでできているってことは知ってますか?液晶ディスプレイの表面を虫眼鏡で拡大して見ると、縦横に「規則正しく」画素が並んでいるのが分かります。 同心円を縮小していくと、線と線の間隔が、液晶ディスプレイの画素の間隔程度まで狭くなり、「規則正しい繰り返し模様の周期のずれ」で、モアレが発生するんです。

パンチングボードによるモアレ
Moire3ct
パンチングボードとはアルミ板や塩ビ板に規則的な並びで穴を開けた板です。パンチングボード2枚でモアレが発生します。先ほど引用したWikipediaのモアレのページの「図2」もパンチングボードによるモアレの例です。
このモアレを実際に見てみたい~!と思って、東急ハンズでパンチングボードを買ってきました。(20cm×30cm φ3mmの穴が5mm間隔で並んでいるアルミのパンチングボードが、2枚で約3千円。高い~(^^;) 2枚のパンチングボードを数cmの間隔を開けて並べて見ると… モアレが見えました~(^o^)
モアレが発生する理由は…目から手前のパンチングボードまでの距離と、奥にあるパンチングボードまでの距離が違うので、手前にあるパンチングボードの穴の間隔より、遠くにあるパンチングボードの穴の間隔の方が狭く見えるので、「規則正しい繰り返し模様の周期のずれ」で干渉縞が発生するんです。
さて、これをみんなに見せて、お持ち帰りさせたい。でも3千円は論外だ~
そうだ、平行線や同心円と同じように、パンチングボードのパターンもOHPフィルムに印刷すればいいじゃないか~(これなら百円以下です(^_^)
…で、作ったのが、パンチングボードのPDF。皆様、ご活用ください(^_^)v

多摩六都科学館でも、このパンチングボードによるモアレを見たことがあります。展示品ではなくて、展示室と展示室の間の通路の壁が二重のパンチングボードになっていて、モアレが見えたんです。(数年前の話ですけど…今もあるかな~?)
Moire00
ありました。多摩六都科学館のモアレの壁です。ただの通路じゃなくて、ちゃんと展示品でした。(2012年6月)

パターンを作るには…
「モアレ」で検索すると、ここで紹介した以外の色々なモアレが出てきます。それを自分で作るには…?
例えば、平行線のパターンをどうやって作ったと思います? 平行線は1mm間隔にしましたから(A4の用紙:210×297mmに)、200本の線が描かれています。
200本の平行線を描くには~ロットリング製図ペンと定規で~夜な夜な家族が寝静まってから精神統一して~無の境地で~平行線を延々と描き続けるんですが… 一本描き損じると、また最初から_| ̄|○ な~んてことは、してません(^^;;
「規則正しい繰り返し模様」を描くならパソコンでCAD(キャド)ソフトを使って描きます。
Wordで描くのは… 平行線なら描けるかも?ですが、同心円とパンチングボードのパターンは難しいだろな~
CADは、フリーソフトのJw_cadを使ってます。CADソフトを使うには、ある程度のスキルが必要ですが、Jw_cadは多数の使い方情報がネット上にありますから、自分で描いてみよう!と思われた方は、がんばってください(^_^)
ちなみに、正多面体ペーパークラフトの展開図や、万華鏡の仕組み(合わせ鏡)の図などは、Jw_cadを使って描いています。

※この記事の作成日は 2010/06/27
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了したので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。

NHK Eテレ サイエンスZERO 「“点と線”で世界をとらえる アイデア勝負 3次元認識」で、モアレじまの実験が出てきたのを見て…
Zero_moire
あ~ モアレの記事を復活させなきゃ!と、復活(^^;

※関連記事
2012/06/09 多摩六都科学館の「モアレ」
2013/04/24 パンチングボードのモアレ
2012/05/06 「光子の逆説」日経サイエンス 2012年3月号

2018年1月 2日 (火)

うずまきのイリュージョン(運動残効)

Whirl01Cloud01
この雲の写真が動くんです! あ、クリックしても動きませんよ。 回転する渦巻きをジーッと見続けた後のあなたの「脳」が、雲が動いてる!と錯覚するんです。 この驚きは体験してみないとわかりません。 回転する渦巻きのコマは簡単に作れますから、とにかく一度体験してみてください。

用意するもの
渦巻きの絵[PDF]をA4普通紙に印刷
(不要な)CD/DVD/BD 1枚
プラ板 25mm×25mm 1枚 (なければ厚紙でも可)
袋ナット M4 1個 (なければ画鋲でも可)
両面テープ 幅10mm 長さ15cmほど

作り方
印刷した渦巻きの画像を丸く切り取ります。
Cd01Cd04
CDの周囲に両面テープを貼って、渦巻きの画像を貼り付けます。 (のりで貼ってもいいですが、何日かするとはがれてしまったので、両面テープを使ってます。)
Cd02Cd03
プラ板を25mm×25mmの大きさに切って、両面テープでCDの穴のところに貼り付けます。 次に、袋ナットをプラ版の上(CDの中心)に両面テープで貼り付けます。これで出来上がり。

やってみよう
雲の写真を傍らに用意しておきます。(渦巻きの絵と一緒に印刷されたものか、このページの雲の写真をクリックすると、もう少し大きな雲の写真が表示されます。 これを印刷するか、画面を表示したままにして…
渦巻きコマを回転させます。円盤の上に親指、人差し指、中指の3本の指を立てて、指をひねれば回ります。
回転する渦巻きの中心をジーッと20秒~30秒見つめます。 そして、雲の写真を見ると…ほらね!雲が動いて見えるでしょ。

試してみよう
隣にいる人の顔を見てみよう。
反対に回転させるとどうなるかな?
回転を止めて、そのまま渦巻きを見続けるとどうなるかな?
雲の写真以外にも、見て面白いものを探そう。

※うずまき銀河の写真を見ると、うずまき銀河が回転しま~す(^o^)
お勧めのうずまき銀河は…
M74M74 (NASA:Astronomy Picture of the Day)

なぜ?
これは「運動残効(うんどうざんこう)」という錯視です。
運動残効とは、一方向への動きを見続けると、その後で止まったものを見たときにそれが逆方向に動いているかのように見える現象です。
もう少し詳しい説明はこちらでどうぞ…→運動残効
この「運動残効」が体験できる「Illusion Forum イリュージョンフォーラム」というサイトは、色々な錯視を体験できて、とっても面白いですよ(^o^)

行ってみよ~
科学技術館には、うずまきのイリュージョンのでっかいのがあります(^o^)
うずまきシリンダーです。
これは、止まっているものが動いて見えるというレベルの体験ではありません。止まっている(立っている)自分の体が、回転している(倒れる~)と脳が錯覚して、体がグラッとします。体験してみないと、この凄さ/おもしろさは分かりません。科学技術館に行く機会があったら、是非体験してみてください(^^)



※この記事の作成日は 2004/12/19
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了したので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。

※関連記事
2002/10/26 ぶしぎ発見科学教室「モーフィング(渦巻きのイリュージョン)」
2012/07/09 運動残効

2017年9月30日 (土)

正多面体はなぜ5種類しかないのか? 実験

正多面体は5種類しかありません。
なぜ5種類しかないのか?それを「実験」で確かめましょう(^^)/~

Regularpolyhedra

※正多面体が5種類しかないことの「証明」は、普通は数学的に「整数不等式」を使って行いますが、まだ数学を学んでいない小学生や、もう数学は忘れてしまった大人のために…「実験」で確かめるのが一番納得できる方法だと思いますので、興味のある方は試してみてくださいな。
この記事の最後でオイラーの多面体公式による証明も載せてます。


用意するもの
Polygons_pdf 正多面体はなぜ5種類しかないのか?実験用 正多角形セット…こちらのPDFを開いて、ちょっと厚めのA4の紙に印刷します。この用紙から、正三角形:6枚,正方形:4枚,正五角形:4枚,正六角形:3枚を切り出して使います。
Polygons

Whyonly5polyhedra_pdf 正多面体はなぜ5種類しかないのか?調査用紙…こちらは普通紙に印刷します。
ハサミ または カッター,定規,カッティングマット:正多角形セットを切るのに使います。
セロテープ:正多角形を並べて貼るのに使います。


やってみよう~

Pp33 Pp33p Pp33q
正三角形を3枚並べてセロテープで貼ります。それを三角錐の形にすると、多面体の頂点ができます。これで作れるのが正4面体

そこで「調査用紙」の「正三角形/3枚」の欄に○を書きます。
正三角形が2枚では立体が作れないことは分かりますよね。「正三角形/2枚」の欄に×を書きます。
Whyonly5polyhedra_answering
このように正多角形何枚で多面体の頂点が作れるかどうかを調べていきます。
次は…

Pp34 Pp34p Pp34q
正三角形/4枚では… 頂点が作れます。これで作れるのが正8面体

Pp35 Pp35p Pp35q
正三角形/5枚でも… 頂点が作れます。これで作れるのが正20面体

Pp36
正三角形/6枚では… 平らになってしまうので、頂点は作れません。
6枚でダメだから、7枚以上でもダメですね。

Pp43 Pp43p Pp43q
正方形/3枚では… 頂点が作れます。これで作れるのが正6面体(立方体)

Pp44
正方形/4枚では… 平らになってしまうので、頂点は作れません。
4枚でダメだから、5枚以上でもダメですね。

Pp53 Pp53p Pp53q
正五角形/3枚では… 頂点が作れます。これで作れるのが正12面体

Pp54
正五角形/4枚では… 4枚並べられないので、頂点は作れません。
4枚でダメだから、5枚以上でもダメですね。

Pp63
正六角形/3枚では… 平らになってしまうので、頂点は作れません。
つまり正六角形では正多面体は作れません。
正七角形以上でも正多面体は作れませんね。

…さて、調査用紙の結果を見てみましょう。
Whyonly5polyhedra_answer
○の数は5つ。だから、正多面体は5種類しかないんです(^_^)v


「整数不等式」を使っての証明
数学を忘れかけている(私も含めた)大人のために、参考までに「整数不等式」を使っての証明を示します。
ちょっと復習しておこうかな…という方、どうぞ↓

正多面体の各面を正 p 角形、正多面体の頂点に集まる面の数を q とする。
一般にp角形の内角の和は、(p - 2)×180°である。
Polygontrianglediv
p角形の一つの頂点と各辺を結んで、p角形内に (p - 2)個の三角形ができるから)
三角形の内角の和は180°なので、
p角形の内角の和は、(p - 2)×180°となり、
p角形の各頂点の内角は (p - 2)×180°/p となる。

正多面体の一つの頂点には q個の正p角形が集まるので、
このq個分の角の和は ((p - 2)×180°/p)× q
これは360°より小さいはずである。
(360°では平面になって、立体にならないから)
よって、以下の不等式が成り立つ
 ((p - 2)×180°/p)× q < 360°
この不等式を整理すると
 (p - 2)(q - 2) < 4 となる。

この不等式を満たす整数 pq の組み合わせは、以下の5種類のみである。
(3, 3) … 正4面体
(3, 4) … 正8面体
(3, 5) … 正20面体
(4, 3) … 正6面体
(5, 3) … 正12面体

…いかがでしょう?
正多角形を切った貼ったする「実験による証明」より、 整数不等式を使った「数学的証明」の方が「エレガント」だと思います?
小学生や(数学に縁遠い)一般の人が「納得できる」のは「実験による証明」だと思うのですが…
「数学的証明」の方は素直に納得できませんよね。それは、この証明の中に「そんなこと分かってるでしょ~。そこは自分で考えなさいよ~」と、説明をはっしょっている箇所が3つもあるからです。その3つは…

・三角形の内角の和は180°なので、
・この不等式を整理すると (p - 2)(q - 2) < 4 となる。
・この不等式を満たす整数 pq の組み合わせは、以下の5種類のみである。

…これら3点を以下説明します。
三角形の内角の和は180°なので、
これは「幾何学を勉強したなら、そんなこと常識よ~」ってことで、説明省略(^^;
まぁ、せっかくなので図だけ載せときますね。
Triangle180

この不等式を整理すると (p - 2)(q - 2) < 4 となる
これは「そこは自分で計算しなさいよ~」って部分。私も計算してみた…

((p - 2)×180°/p)× q < 360° 両辺を180°で割る
((p - 2)/p)× q < 2 両辺に p を掛ける
(p - 2)q < 2p (×は省略)左辺を展開
pq - 2q < 2p 右辺を左辺に移項(両辺から 2p を引く)
pq - 2q - 2p < 0 左辺を因数分解できるように、両辺に4を加える
pq - 2q - 2p + 4 < 4 左辺を因数分解
(p - 2)(q - 2) < 4

…書き出してみると、数学に縁遠い人には簡単じゃないよね(^^;

この不等式を満たす整数 p とq の組み合わせは、以下の5種類のみである。
pの値が 1,2,3,4,5,6,…のとき、
qの値がいくつだったら不等式が成り立つかを一つずつ調べていく…
pは正p角形の値なので p ≧ 3 である。pの値が 1 と 2 の場合は対象外。図形で考えれば、正1角形とか正2角形はありえない。
pの値が 3 (正三角形)の場合は、qの値が 3 と 4 と 5 で不等式が成り立つ。
pの値が 4 (正方形)の場合は、qの値が 3 で不等式が成り立つ。
pの値が 5 (正五角形)の場合は、qの値が 3 で不等式が成り立つ。
pの値が 6 以上の場合は、(p - 2)の値が 4 以上になり、不等式は成り立たない。

あれ、あれ~! これって「実験による証明」でやったことと同じじゃありませんか~!
「実験による証明」では、正多角形を描いて、切って、貼って…という手間がかかりましたが、
「数学的証明」では、(p - 2)(q - 2) < 4 という整数不等式を導き出す/理解するのに手間がかかり…(^^;
どっちが簡単?っていうと、数学の基礎を勉強していなくてもできる「実験による証明」の方が簡単?
いえ、いえ、そんなことはありませんよ!
「実験による証明」の方では、数学的に難しい部分を既にこちらで用意済みだったのです。
「実験による証明」を自分で一からやるには、まず正三角形、正方形、正五角形、正六角形を描く必要があります。
正五角形をどうやって描きます? それにはやっぱり数学/幾何学を勉強していないといけないのです。


正多面体が5種類あることは石器時代の人も知っていた
「正多面体」で検索すると「プラトンの立体」って言葉が出てきますが、プラトンさんが正多面体を見つけたわけでも、5種類しかないことを証明したわけでもありません。(詳細は自分で調べてね。)
そんなことより、「正多面体」で検索していて見つけたこのページ↓
Neolithic Carved Stone Polyhedra(新石器時代の多面体の石玉)
お~すごい!新石器時代に5種類の正多面体に相当する石の玉を作っていたんですよ~!!
5種類しかないことを証明はしてないでしょうが、5種類あることは知っていたんですよ~

あ、上で紹介したページは英語のページで、「正多面体」で検索して出てくるわけないですね。
「正多面体」で検索して見つけたページはこちら→「新石器時代の多面体
このページの中に『スコットランドでの「手作業による発見」が, ギリシャでの「数学的研究」をはるかに先行しているが…』という記述がある。ん、ん、「手作業による発見」いい言葉ですね~(^_^)

このページでやっている「実験による証明」は、2008/01/26に府中グリーンプラザで、
ふしぎ発見科学教室「正多面体ペーパークラフト~正多面体はなぜ5種類しかないのか?実験」をやったときの内容ですが、そのときの狙いは「手作業による発見」みたいなこと。
自分で手を動かして、自分で何かを発見する。という体験は長く記憶に残りますからね(^_^)v

正多面体が5つ存在し、5つしか存在しないことを証明したのは、古代ギリシャの数学者テアイテトスだそうです。
正多面体が5種類だけであることを証明したのはテアイテトス

※この記事の作成日は 2012/03/25
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了するので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。



※関連記事
2012/03/25 正多面体はなぜ5種類しかないのか?
2012/04/04 正多面体が5種類あることは石器時代の人も知っていた
2017/03/17 RikaTan 2017年4月号…ニセ科学を斬る!2017 ←「正多面体はなぜ5種類しかないのか?」を説明するとき、オイラーの多面体定理(オイラーの多面体公式)を使って説明するのって「権威を押し付けている」んじゃね?と思うところがあって、特集『ニセ科学を斬る』の回の連載を『正多面体はなぜ5種類しかないのか?実験』にしました。

この記事を書いたときに編集メーリングリストに投げだメモ…
この記事でお伝えしようとしていることは、
科学イベントなどで「正多面体はここにある5種類しかありません。」というお話をして「え!ほんとに?」という反応をした人に、3分間で「納得できる」説明をする方法です。
説明する相手は小学生とその親です。
数学を学んでいない小学生、または、かつて数学勉強したけど大人になってから一度も「因数分解」なんてする必要に迫られたことないから…数学を忘れてしまった大人に対して、いかに説明するか?

サイエンスコミュニケーションしていて相手が「なぜ?」と反応したときは、それを伝える絶好のチャンスです。
そして、その答えは3分以内でが経験則。
30分かけて数学的な証明を説明することはできません。相手は学校に来ている学生ではないから。
イベントを「楽しむ」ために来ている人たちですが、科学イベントなので「知的好奇心」があって来ています。
そういう人が「なせ?」と思ったときに、相手が「納得できる」説明ができると、「アハ!」となって(たぶん脳内ではドーパミンが分泌されて)「楽しかったね~」という記憶と共に「科学のタネ」が植えつけられます。
「なぜ?」から3分以内に「アハ!」体験に結びつける。←ここが重要です。
私は子供に分かりやすく説明すると同時に親に対しても語りかけています。
子どもと一緒に科学イベントに来た親が、アハ!体験から「科学って楽しい~」と思ってくれれば、その後で自分の子供に対してより科学に親しむようなアクションをしてくれること期待できますよね。

私が「オイラーの多面体公式」を使って正多面体が5種類しかないことを説明しないのは、こういった背景・経験によるものです。
例えば、オイラーの多面体公式を使っての証明をざっくり書くと次のようになります。

オイラーの多面体公式」を使っての証明

オイラーの多面体公式 V - E + F = 2 (V:頂点数、E:辺の数、F:面の数)
F個の正p角形の辺の数は pF、1つの辺は2つの面に属するので pF=2E ⇒ F=2E/p
V個の頂点に q本の辺が集まり、1つの辺は2つの頂点を結ぶので、qV=2E ⇒ V=2E/q
これらを V - E + F = 2 に代入して E のみの式にすると
2E/q - E + 2E/p = 2
両辺を E で割ると
2/q - 1 + 2/p = 2/E
右辺は正なので左辺も正
2/q - 1 + 2/p > 0
この不等式を整理すると
(p - 2)(q - 2) < 4 となる。

この分量ならA4の紙1枚に書いておけます。
でも、これを1行1行相手に納得してもらいながら、3分で説明することはできるでしょうか?
説明する前に「説明は結構です」と断られる可能性大ですね。
数式見ただけで拒絶反応という人が結構いますから。

私がこの説明を受けたら、次の質問をしますね。
なんで「この不等式を整理すると (p - 2)(q - 2) < 4 となる」のですか?
それは~

2/q - 1 + 2/p > 0
ちょいと移行して、
2/q + 2/p > 1
両辺にpqを掛けて
2p + 2q > pq
またちょいと移項して
pq -2p -2q < 0
両辺に4を加えて
pq -2p -2q + 4 < 4
左辺を因数分解して
(p - 2)(q - 2) < 4 となる。

この計算の最後に「因数分解」します。
因数分解で数学苦手になった人 多いようなので、人によっては「数学苦手」のトラウマを引き出してしまうかもしれません。
せっかく「なぜ?」と興味を持ってくれたのに、興味が一気にしぼみ「なんだか分からなかった…」という残念な結果になりかねません。
よしんば因数分解をクリアできたとしても、次に「なぜ V-E+F=2 が成り立つのですか?」というラスボスが立ちはだかっています。

私が目指すところは、多くの人に納得してもらえる説明をし、アハ!体験で「科学って楽しい~」という記憶を植え付けることです。
説明が難しいことでも、それを分かりやすく説明する努力は怠りませんが、現実的に無理なら説明はしません。代わりに「きっかけ」を与えられればそれでいいと思っています。

※さらに関連記事
2016/02/19 世界で二番目に美しい数式 V-E+F=2

2017年8月27日 (日)

自由研究【世界一簡単な構造の電車】を持ち運ぶには…

世界一簡単な構造の電車】は、
単5乾電池の両端にネオジム磁石をくっつけ…
Simplest_electric_train_21
↑これが電車。これを、銅線を巻いたコイルの中にちょいと入れると…
Simplest_electric_train_10
お~!コイルの中を電車がシャーーーって滑るように走ったよ!w(*゚o゚*)w
…という、とても面白い科学実験なので、「これを友達に見せた~い」とか「夏の自由研究にしようかな~」と考える人いると思いますので、そういう人にちょっとアドバイス。

実は~ 家ではうまく走っていた【世界一簡単な構造の電車】を外に持ち出して、走る様子を見せようとすると~
走らない(≧σ≦)
なんで~!? 家では何の問題もなく走ってたのに、なんで???

「走らない」と言っても、全然走らないわけではなく、走り出してもすぐに「止まってしまう」のです。この「止まる」は、ゆっくり止まるのではなく、突然止まります。
なんでだろ~? とコイルをよくよく見ると~
Simplest_electric_train_11
あ~コイルが歪んでる! ここに電車が引っかかって止まってしまうのです。
コイルを持ち運ぶ間に歪みそうなことは分かっていたので、丁寧に扱ってはいたのですが、それでもコイルが歪んでしまうようです。

ではどうするか?
持ち運ぶ間にコイルが歪まぬよう、コイルは丸棒に巻いたままで持ち運びましょう。
Simplest_electric_train_13
外径13mmのパイプに銅線をキッチリ巻いた状態で、両端をビニールテープ等で留めて、この状態で持ち運ぶとコイルに歪みが生じません(^_^)v
外径13mmの樹脂パイプは1メートルの長さで売られていました。1メートルのパイプを持ち運ぶのは邪魔なので、パイプは25cmほどに切ってます。

【世界一簡単な構造の電車】に使う銅線は、百円ショップ(ダイソー)に 0.55mm×10m または 0.9mm×5m がありました。銅線の太さは 0.55mm でも 0.9mm でも走りっぷりに大差はありませんでした。ならば、太さ 0.55mm の方が長いコイルが作れるので←こっちの方がイイかも!と思っていたのですが、「コイルが歪みやすい」という弱点がありました。
なので、持ち運び用には太さ 0.9mmのコイルの方がイイかも?です。
Simplest_electric_train_12
それと、実験が終わったら、コイルはまた丸棒にキッチリ巻いて保管しましょう。
Simplest_electric_train_22
コイルがキッチリ巻かれた状態は美しい~(=^ェ^=)

●もう一つ 【世界一簡単な構造の電車】を持ち運ぶときのアドバイス…
ネオジム磁石は超強力なので、持ち運ぶ間に磁気カードや電子機器のすぐそばに置かないように注意しましょう! …と言っても、持ち運ぶ間そんなことを常に気にしてることなんてできませんから、安全策を講じておきましょう。

超強力マグネット=ネオジム磁石がどれくらい強力か?ちょっと実験…
Simplest_electric_train_17 Simplest_electric_train_16
超強力マグネット=ネオジム磁石をカラークリップに近づけると、カラークリップがバチバチバチ・・・とくっついた~!

この強力な磁力を閉じ込めるために「砂鉄」を使います。
砂鉄をチャック付きビニール袋に入れます。
Simplest_electric_train_18b
砂鉄をどこで入手するか?
ん~ 私は砂鉄海岸で採取してきましたが… まぁ、砂場で集めて来てください(^^;
※砂鉄集めをするときは、強力な磁石と、プラカップとビニール袋を持って行きましょう。ネオジム磁石を直接砂の中に突っ込むと、ネオジム磁石から砂鉄をはがし取るのが大変ですから。

【世界一簡単な構造の電車】には「超強力マグネット」を4個(または6個)使います。
超強力マグネット=ネオジム磁石を2枚ずつペアにして下図のように並べます。
Simplest_electric_train_14
この状態で、磁石を砂鉄を入れた袋の上に置いて、砂鉄でくるみます。
Simplest_electric_train_18 Simplest_electric_train_19
すると、カラークリップがくっつく数は↓これだけになります。
Simplest_electric_train_20
なぜか?→ ネオジム磁石を安全に持ち帰る方法

それと、ネオジム磁石を4枚重ねってくっつけてしまうと…
Simplest_electric_train_15
これを2枚/2枚に引き離すのは大人の力でもかなり大変です。子供の力で引き離せなくなってしまうかも? なので、なるべく2枚ずつの状態で取り扱うようにしましょう。

以上、【世界一簡単な構造の電車】を持ち運ぶためのアドバイスでした。
これを参考に、できるだけ多くの人に「こんな簡単な構造なのに走った~!」という感動をお伝えください。
それと、これを見た人は「なんで?」と質問してくるでしょうから、その説明はこちらを参考にしてください。
【世界一簡単な構造の電車】 これは面白い!...動く原理は『右ねじの法則』
作り方は→【世界一簡単な構造の電車】を作ってみました



※関連リンク
世界最強「ネオジム磁石」はたった1人の実験から生まれた|ITmedia NEWS

2017年8月 1日 (火)

超簡単モーター

Usm30 Usm31
フェライト磁石(その辺にある黒い色の磁石はフェライト磁石です)でモータを作るには、コイルを巻いて、整流子を作って…という風に作ります。(右の写真)そこそこ簡単に作れるので「簡単モーター」または、クリップを使って作るので「クリップモーター」。
ところが、ネオジム磁石を使うと(超強力な磁石なので)コイルを巻かなくても回ってしまいます。(左の写真)あまりにも簡単なので「
簡単モーター」です。



用意するもの
ネオジム磁石:円筒形の小さなもの(φ5mm×5mmぐらいのもの)
この実験をやるには、まずネオジム磁石を手に入れなければなりません。東急ハンズにも売っていますが、1個数百円します。もっと安くネオジム磁石を入手できないの~?
できます。百円ショップ(ダイソー)のキャンディー型マグネットがネオジム磁石なんです(下の写真)。プラスチックの中にはめ込んである銀色のが(ニッケルメッキされた)ネオジム磁石です。釘と金槌を使って、ネオジム磁石をたたき出すと、1個約35円でとっても安い(^^)v

Usm32
※最近のこのタイプのマグネットはネオジム磁石をたたき出すことができません。
磁石の量を減らすため、円柱状の1個の磁石が表裏貫通しているのでなく、表と裏にそれぞれ薄い円柱状の磁石が埋め込まれ、中間はプラスチックになってました。これで磁石の量は2/3に減ってます。これで製造原価が下がったかというと…「レアアース問題」でネオジムの価格が高騰しましたからね~(^^;
百円ショップでマグネットを探すと、かなりネオジム磁石を使った物があります。その中から、この実験に使えそうなネオジム磁石を探しましょう。(探すときの手がかりは、銀色の磁石で磁力が強いもの。ネオジム磁石が銀色(ニッケルメッキされている)のは酸化防止のためらしいです。

鉄釘:4cmくらいのもの
「ステン釘」というのを買ってきたら、磁石にくっかない~(汗;)ってことがありました。磁石にくっつくステンレスと磁石にくっつかないステンレスがあるようです。ですので、磁石にくっつく「鉄」の釘を。

リード線:17cmくらい。両端1cmくらいビニール被覆を剥がしておきます。

アルカリ乾電池(単3):マンガン乾電池だと電流が弱くて回りにくいことがありますので、アルカリ乾電池がお薦めです。

トラと檻(オリ)の絵:釘だけが回っていると「ホントに回っているの~?」と、回っているのがよく分からないので、何かを釘にくっつけておきます。何でもいい(釘に紐を縛り付けておいてもいい)のですが、科学イベントで超簡単モータをやるときは、表がトラで裏が檻(オリ)の絵を釘に貼り付けています。うまく回ると、トラの絵と檻(オリ)の絵が残像現象で重なって、トラが檻(オリ)に入ります。これで「ソーマトロープ」になります(^o^)v
Usm09トラと檻(オリ)の絵[PDF]
印刷する場合は、(普通紙ではなく)ちょっと厚めの紙に「両面・ふちなし印刷」で。
A4 一枚で66人分になりますので…必要でしたら、どうぞ。
※トラのイラストは「イラストポップ」の画像を利用させていただきました。

両面テープ(幅5mm, 2cmほど):釘にトラと檻(オリ)の絵を貼り付けるのに使います。


実験の仕方
Usm33 Usm35
釘の頭(平たい方)にネオジム磁石をつけて、釘の先端を電池の底(-極)にぶら下げて、リード線を電池の+極に指で押しつけて、リード線のもう一方の端をネオジム磁石に接触させると・・・ほ~ら、回った(^o^)
Usm34
トラが檻(オリ)に入ったように見えるか?というと…ん~(動いているものを静止画で撮るのって難しいです… え?動画を載せりゃいいだろうって! そうなんですけど… 実際に回っているのを見たかったら、是非自分でやってみよ~(^^; ※NHK教育TVの大科学実験でも「やってみなくちゃわからない!」って(細野晴臣さんのナレーションで)言ってますから(^^)v

注意:リード線を電池の+極に指で押しつけているところが熱くなることがあります。熱ッ!と思ったら(反射的に指を離しているとは思いますが)すぐに指を離してくださいね。やけどするようなことはありませんから。
「なぜ熱くなるのか?」…実験をしていて、こういう「発見」をしたら「なぜ?」って考える。それが「科学する心」なんですね~(って、回答になってないので(^^; 考えてみてくださいね~ ヒントのキーワードは「電気抵抗」と「ショート」)


なぜ?
「なぜ熱くなるのか?」より、「なぜ回るのか?」ですよね~
モーターが回るのは「フレミングの左手の法則」で説明できます。「フレミングの左手の法則」とは?…自分で調べてね(高校生以上の人は「復習」してね。私も復習しましたから(^^;)。
で、超簡単モーターの場合、(フレミングの左手の法則が分かっている人には)電・磁・力の方向を図示すれば分かるのですが…イラストを作るのに手間かかるので、そのうち…←と書いて、ちっともやらないので…「フレミングの左手の法則」の画像検索結果をご覧の上、超簡単モーターで次の実験をしてみましょう。
・乾電池を上下逆にして(電流の向きが逆になると)回転の方向がどうなるか?
・磁石を上下逆にして(磁界の向きが逆になると)回転の方向がどうなるか?
超簡単モーターを「フレミングの左手の法則」で説明するとき、一番分かりにくいのが「電流の向き」です。
「磁界の向き」は…円柱状の磁石は丸い面がそれぞれN極S極に磁化されていますので、この実験では上下方向です。
左手を「フレミングの左手の法則」の形に構えて~人差し指(磁界の向き)を上にします。実験の結果、超簡単モーターはこっち向きに回ったから~
すると、電流の向きはこっち(横方向)になるよね~ 電池を縦方向にして電流をループさせているから、電流は上下方向かというと
そうではなくて、超簡単モーターを回転させている電流は、円柱のネオジム磁石の表面から中心の釘に向かって流れるわずかな横方向の成分によるものです。


別のタイプの超簡単モーター
Usm37 Usm36
「超簡単モーター」で検索すると、ここで紹介した釘とリード線を使ったタイプではなく、銅線を曲げて、電池の下にネオジム磁石を付けたタイプの超簡単モーターの方がよく出てきます。
このタイプの超簡単モーターの作り方は…写真を見ただけで分かる人は分かるでしょうし、ネットで検索すれば作り方は色々出てますから、作ってみたいと思ったら、自分で調べてくださいな。

注意:このタイプの超簡単モーターも熱くなります!
釘とリード線タイプの超簡単モーターは、熱ッ!と指を離したら止まります。人間というセンサー(安全装置)付きです。ですが… 銅線タイプの超簡単モーターは、手を離して回り続けるので、安全装置がありません。30秒ぐらい回していると銅線が熱くなり、1分も回していると電池まで熱くなってしまいます。ですから、長時間回し続けないでください。
ネットに作り方の説明は多数出ているのですが、「熱くなるから注意!」というのを見たことがありません… 実際に実験してみる場合は、注意してくださいね。

※2008年 青少年のための科学の祭典 東京大会 in 小金井
で、空き缶を使った、このタイプの超簡単モーターを展示していたブースがありまして、モータの回転が早くなると、遠心力でネオジム磁石との接点が切れ、回転が遅くなると、またネオジム磁石と接点が繋がるという仕組みになっていて、へ~!これなら電流が流れすぎて熱くなることがありませんね~
なるほど~ と、写真を撮っておいたのですが、その写真が見つからない…
Usm10
見つけました~ アルミ缶をリング状に切って、ポンチで一点凹みをつけ、画鋲の上に乗せてます。回転が速くなると、遠心力でリングの下の部分がネオジム磁石から離れるので電流が切れます。


ネオジム磁石についての注意
ネオジム磁石は非常に強力な磁石なので、磁気カード(銀行カード,クレジットカード等),
パソコン,ゲーム機,携帯電話,ビデオテープ等の近くに置くと、情報が消えたり、電子機器の動作が異常になったりすることがあります。また、小さいネオジム磁石を誤って飲み込んでしまった場合、医師による適切な処置が必要です。
科学イベントや科学教室でネオジム磁石を使う実験や工作を行い、ネオジム磁石を持ち帰らせる場合は、ネオジム磁石についての注意を十分にしておくことが必要です。
※科学イベントなどでネオジム磁石を使った実験/工作をしていると、子どもに混じって私もやらせてもらったりしていたのですが、ネオジム磁石を「お持ち帰り」させるとき、ネオジム磁石についての十分な注意がなくて、「それでいいのかな~?」と思うのですが・・・
で、ネオジム磁石を使った実験/工作をする場合は、『ネオジム磁石についての注意』を説明して、注意書きを持ち帰らせています。また、単に注意するだけでなく、ネオジム磁石を安全に持ち帰らせるための対処もしています。その方法はこちら→ネオジム磁石を安全に持ち帰る方法 …これまた科学ネタなんですよ~(^^)


※関連記事
2015/02/27 【世界一簡単な構造の電車】 これは面白い!...動く原理は『右ねじの法則』
2016/05/22 【世界一簡単な構造の電車】を作ってみました
2018/04/11 『フレミングの左手の法則』フリー画像…Fleming's left hand rule(free graphics) ←やっと、説明用画像を作りました。
2018/04/26 RikaTan 2018年6月号…観察・実験・ものづくり『ネオジム磁石はすごいゾ!』

※この記事の作成日は 2010/7/19
~.dion.ne.jp/~kagaku というサイトに載せていましたが、ホームページサービス(dion.ne.jp)が利用者減少のため2017/10/31で終了するので、ホームページのコンテンツをブログに移しました。

2016年5月22日 (日)

【世界一簡単な構造の電車】を作ってみました

YouTubeのこの動画→World's Simplest Electric Train 【世界一簡単な構造の電車】

面白い!(^O^)!
と、去年の2月に動く原理についての記事を書きました。→動く原理は『右ねじの法則』
で、自分でも実験してみよ~と思いつつ… 未だにやってなくて(汗;)
理論と実験を並行して進めなきゃダメじゃないか~←自分にツッコミ(^^;

そして、やっと、作って実験してみましたので、作り方を書いておきます。



▼用意するもの
Simplest_electric_train_01
超強力マグネット4(ダイソー)
●単5アルカリ乾電池
 「世界一簡単な構造の電車」は単5乾電池の両端に円形のネオジム磁石をくっつけます。
 単5乾電池は直径10.7~12.0mmなので、これよりチョイ大きいネオジム磁石が必要です。
 そして、超強力マグネット4(ダイソー)の直径は13mm ちょうどいい大きさです。
●銅線
 どのくらいの太さの銅線がどのくらい必要なのか分からなかったので、太さ 0.55mmと 0.9mmでお試し。
 最初に買ったのが右側の2つ:東急ハンズで、0.55mm×7m と 0.9mm×5m
 その後、ダイソーで見つけたのが(真ん中の) 0.55mm×10m
※結局、百円ショップ(ダイソー)でネオジム磁石、単5乾電池、銅線を買ってくれば、300円(税抜き)でこの実験ができてしまうことが判明!意外とリーズナブル。
しかし、それ以外に一番コストがかかる物がありまして、それが↓
●銅線を巻くための丸棒
 銅線をコイル状に巻くために丸棒が必要です。コイルの中には直径13mmのネオジム磁石の「電車」が通りますから、コイルの内径は13mm+αです。直径13mmの丸棒に銅線を巻くと(人の力で巻いているので)キッチリ13mmにはならず、自然と13mm+αになります。ですから+αは気にせず、直径13mmの丸棒を探しましょう。
上の写真にあるのは、私の工作/実験グッズの中から探し出した丸棒。
透明な樹脂製パイプ(外径13mm)とアルミパイプ(外径14mm)…どちらも昔東急ハンズで買ったもの。今回は外径13mmの樹脂製パイプを使いました。

▼コイルを巻く
Simplest_electric_train_02
外径13mmの樹脂製パイプに銅線を巻きました。
上段は0.9mm×5mの銅線
下段は0.55mm×7mの銅線
パイプ(丸棒)に銅線を少し巻いたらセロテープで端を止めて、後はひたすら銅線を(なるべく隙間なくキッチリ)巻いていきます。
巻き終わったら…

▼巻いたコイルの両端を引っ張って、ビヨ~~ンと伸ばします。
Simplest_electric_train_04
銅線が隙間なくくっついて巻かれていると、電流が銅線に沿った方向以外にも流れちゃいますから、銅線のコイルの両端を軽く引っ張って、ビヨ~~ンと伸ばします。

▼「電車」を組み立てる
Simplest_electric_train_07
単5乾電池の両端(+極と-極に)ネオジム磁石をくっつけます。
重要:このときのネオジム磁石の磁極は、NS⇔SN または SN⇔NS と互いに退け合う向きにして電池の両端にくっつけます。

▼【世界一簡単な構造の電車】発進! いや、電車だから「出発進行~!」か(^^;
銅線のコイルの中に「電車」をそっと押し込みます。
Simplest_electric_train_06
お~!走ったよw(^o^)w 赤矢印のところが、コイルの中を走る「電車」です。
コイルに「電車」を入れると、1/2の確率で走ります。
でも1/2の確率で「電車」が「いやいや」と押し戻されます。こういう場合は、電車の向きをひっくり返せば、走ります。
たったこれだけの仕組みで、コイルの中を「電車」がシャーーーッと滑るように走るのを目の当たりにすると感動ですw(*゚o゚*)w

0.55mmの銅線と 0.9mmの銅線で「電車」の走りっぷりは、同じようなものでした。
細い0.55mmの銅線の方がコイル=レールを長くできますから、0.55mmでできるだけ長い銅線でコイル=レールを作りましょう。
注意:長いコイル=レールを作ってループ状にした場合、回し続けると電池が発熱します。ですから、何周も回し続けちゃダメですよ。

※関連記事
【世界一簡単な構造の電車】 これは面白い!...動く原理は『右ねじの法則』
 2017年8月↑この記事のページビューが毎日100ぐらいあります。と言うことは、夏休みの自由研究にこの記事を見に来てるということだよね~
すると、自由研究で作って、学校に持って行ったら「走らないよ~なんで~?」という汗;涙;の場面が続出しそうなので、↓この記事を書きました。

自由研究【世界一簡単な構造の電車】を持ち運ぶには…

ネオジム磁石で4つの実験が出来るキット…博物ふぇすてぃばる!2015
博物ふぇすてぃばる!3 に出展します 2016/7/23(土)



※関連リンク
世界最強「ネオジム磁石」はたった1人の実験から生まれた|ITmedia NEWS

フォト
2019年9月
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30          

Google AdSense


無料ブログはココログ

blog parts

  • ココログカレンダーPlus 月曜はじまり