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 スーパーボールでロケットを作ろう - 自由研究・工作・教材のダウンロードと作り方

自由じゆう研究けんきゅう工作こうさく教材きょうざいのダウンロードとつくかた

「はなまるまとめのおと」では、子供こどもたちに実験じっけん工作こうさくあそびをとおして興味きょうみ関心かんしんさそまなびにつなげるような教材きょうざい工夫くふうんでいます。
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多段ただんしきロケットとツィオルコフスキー

つきがスーパーボールサイズだとしたら、地球ちきゅうってどれくらいのおおきさになるのかな・・・

いまやおまつりや縁日えんにちで「金魚きんぎょすくい」になら定番ていばんちゅう定番ていばんとなった「スーパーボールすくい」ですが、みなさんは、その主役しゅやくのスーパーボールのおおきさ(直径ちょっけい26mm)につき縮尺しゅくしゃくしたら、地球ちきゅうはどれくらいのおおきさになるとおもいますか?
直径ちょっけい40mmのピンポンだまサイズでしょうか?それとも、直径ちょっけい65mmのテニスボールのおおきさでしょうか?正解せいかいは95mm程度ていどでソフトボールサイズになります。
また、小惑星しょうわくせい探査たんさ「はやぶさ」が地球ちきゅう無事ぶじ帰還きかんしたことで一躍いちやく有名ゆうめいになった小惑星しょうわくせいイトカワを縮尺しゅくしゃくすると、そのおおきさは4ミクロンとなり、酵母こうぼきん乳酸菌にゅうさんきんどう程度ていどのサイズになります。

イトカワって、とてもちいさな小惑星しょうわくせいなんですね。

ではソフトボールサイズの地球ちきゅうからスーパーボールサイズのつきまでの距離きょりはのどれくらいになるとおもいますか?
地球ちきゅうからつきまでの平均へいきん距離きょりはおよそ38まんkmなので、縮尺しゅくしゃくすると2.8mはなれていることになります。

ちなみに、太陽たいよう直径ちょっけい地球ちきゅうの109ばいなので、直径ちょっけいやく10mのちいさな天文台てんもんだいのドーム程度ていどおおきさとなり、地球ちきゅうから太陽たいようまでの距離きょりはおよそ1おく5000まんkmなので、ソフトボールだい地球ちきゅうから天文台てんもんだいドームまでの距離きょりやく1.2km程度ていどとなります。
また、この1.2kmの距離きょり自転車じてんしゃで8ふん20びょう時速じそく8.64km)かけてはしったとすれば、その自転車じてんしゃひかり速度そくどはしったことになります。

宇宙うちゅう縮尺しゅくしゃくしてみると身近みぢかなものでイメージできるんだね。

物理ぶつりきなほうはご存知ぞんじかもしれませんが、ビッグバン宇宙うちゅうろんられたロシアまれのアメリカの物理ぶつり学者がくしゃジョージ・ガモフの著書ちょしょなかに、アルベルト・アインシュタインの特殊とくしゅ相対性理論そうたいせいりろんかりやすく解説かいせつした「不思議ふしぎくにのトムキンス」 (ガモフ全集ぜんしゅうだい1かんぜん13かん別巻べっかん3かん-)という一般いっぱんけの科学かがく啓蒙けいもうしょがあります。そのなかだいいち「のろいまち」の舞台ぶたいとなっているまちは、ひかり速度そくど時速じそく10km程度ていどしかないので、自転車じてんしゃってはしっただけでもローレンツ短縮たんしゅくひかりのドップラー効果こうか、ウラシマ効果こうかあらわれ、まちのいたるところで相対性理論そうたいせいりろん予言よげんする不思議ふしぎ現象げんしょうこります。
つきをスーパーボールサイズにまで縮尺しゅくしゃくした世界せかいは、そんな相対性理論そうたいせいりろん身近みぢかかんじられる「のろいまち」のような不思議ふしぎ空間くうかんおもこさせます。

相対性理論そうたいせいりろんみちび不思議ふしぎ世界せかいはなしはまたべつ機会きかいゆずるとして、ここからさきはひかり速度そくどよりはるかにおそ宇宙うちゅうロケットのはなしうつります。
ペンシルロケットからはじまった日本にっぽんのロケット開発かいはつが、小惑星しょうわくせい「イトカワ」の名前なまえ由来ゆらいにもなった糸川いとかわ英夫ひでお教授きょうじゅきにしてはかたれないように、またアメリカのロケット開発かいはつが、ゴダードやアポロ計画けいかくのフォン・ブラウンをきにしてはかたれないように、それらロケット開発かいはつ技術ぎじゅつてきベースとなっている多段ただんしきロケットをかたじょうで、きゅうソ連それん科学かがくしゃコンスタンチン・E・ツィオルコフスキーをきにはなしすすめることはできないでしょう。
かれは、「ロケットが十分じゅうぶん推力すいりょくるためには、移動いどうたい部分ぶぶん質量しつりょう全体ぜんたいくらべてできるだけちいさいことがのぞましく、必要ひつようくなった部分ぶぶんはなすべきだ」というかんがえにもとづいて多段ただんしきロケットを考案こうあんし、1897ねん世界せかい最初さいしょのロケット理論りろん発表はっぴょうしました。さらにかれは、多段ただんしきロケットでなければ人工じんこう衛星えいせい衛星えいせい軌道きどうせるだい1宇宙うちゅう速度そくど(およそ秒速びょうそく7.9km)にたっすることができないともかんがえていました。
理論りろん発表はっぴょうからいち世紀せいき以上いじょう経過けいかしたいまも、衛星えいせいすべ多段ただんしきとなっていて、かれかんがえがただしかったことを裏付うらづける結果けっかとなっています。
また、そのことがかれを「ロケット工学こうがくちち所以ゆえんでもあるのです。そんなかれ偉業いぎょうとなえて、のちつき裏側うらがわ発見はっけんされた直径ちょっけいやく185kmのうつくしい漆黒しっこくのクレーターに「ツィオルコフスキー・クレーター」とかれかんされました。

つきロケットとえば、「アポロ」や「かぐや」をおもかべるほうおおいとおもいますが、これらの探査たんさはこぶロケットも多段ただんしきロケットになっています。
重力じゅうりょくってつきかうには、衛星えいせい必要ひつようだい1宇宙うちゅう速度そくどえ、さらに多段ただんしきロケットでだい2宇宙うちゅう速度そくど脱出だっしゅつ速度そくど、およそ秒速びょうそく11.2km)まで加速かそくしなければなりません。また、前述ぜんじゅつ小惑星しょうわくせい探査たんさ「やはぶさ」も多段ただんしきロケットによりだい2宇宙うちゅう速度そくどまで加速かそくされました。

さらに、だい3宇宙うちゅう速度そくどというものもあります。
これは太陽系たいようけいすのに必要ひつよう速度そくどで、およそ秒速びょうそく16.7kmになります。
いまのところ、このだい3宇宙うちゅう速度そくどえた探査たんさはパイオニア10ごう、11ごう、ボイジャー1ごう、2ごうの4しか存在そんざいしません。
これらの探査たんさはまず多段ただんしきロケットでげられ、惑星わくせい衛星えいせいなどの重力じゅうりょく公転こうてん運動うんどう利用りようし、(スイングバイ航法こうほうだい2宇宙うちゅう速度そくどからだい3宇宙うちゅう速度そくどへと加速かそくしました。


※【写真しゃしんみぎ】 ボイジャー1ごう Image credit: NASA


中学生ちゅうがくせい自由じゆう研究けんきゅう自由じゆう工作こうさく)にスーパーボールロケットはいかが?

おおきさのちがうスーパーボールを使つかった多段ただんしきロケットの実験じっけんです。

多段ただんしきスーパーボールロケットは、中学生ちゅうがくせい理科りかならう、身近みぢか物理ぶつり現象げんしょうちから圧力あつりょく」(1学年がくねん)、「エネルギーのうつわり」(3学年がくねん)に沿った内容ないようとなっています。
夏休なつやすみの自由じゆう研究けんきゅうテーマや教材きょうざい使つかった理科りか授業じゅぎょうなどにご利用りようください。
一般いっぱんてきにスーパーボールは反発はんぱつ係数けいすうかえ係数けいすう)がたかくとてもよくはずみます。このスーパーボールの性質せいしつ使つかって、多段ただんしきロケットの実験じっけんをしてみましょう。

必要ひつよう工具こうぐ
   ドライバー、千枚通せんまいどおし、カッターまたはハサミ。
   その、ピンセット、目玉めだまクリップがあると便利べんりです。

ひだりのように、クリップるい糊付のりづけしたはねをロケット本体ほんたい固定こていするときに使用しようします。
金具かなぐるいは、あらかじめながさをそろえたタコいとむすんでおきましょう。
3だんのスーパーボール(しょう)には、位置いちエネルギーから変換へんかんされた運動うんどうエネルギーがスーパーボールの(だい)から(なか)へとうつがれてくわわりますのでしっかりと固定こていしてください。
ボールがんでいかないようにしっかり固定こていできるものであれば、した材料ざいりょうなかのタコいと金具かなぐるい手元てもとにあるもので代用だいようしてもかまいません。もし実験じっけんちゅうにネジやヒートンがはずれてしまう場合ばあいは、金具かなぐうえからビニールテープでボールにきつけて固定こていしてみてください。
スーパーボール(だい)にたけくしやスーパーボール(なかしょう)にすストローは、ふかぎるとはずまない原因げんいんになるので注意ちゅうい必要ひつようです。
スーパーボール(だい)にはたけくし直径ちょっけいの1/3までし、スーパーボール(なかしょう)は直径ちょっけいの2/3のながさのストローを中央ちゅうおうまでれてください。

材料ざいりょう
   ● スーパーボール(だい60mm・ちゅう36mm・しょう26mm)3
   ● ストロー2ほんあな直径ちょっけいが4mmと6mmかく1ほん
   ● ビニールテープ
   ● セロハンテープ
   ● のりまた木工もっこうようボンド
   ● 真鍮しんちゅうヒートン2
   ● もくねじ2みぎ画像がぞうよりすこながめがいようです)
   ● タコいと 50cm(つよれにくいものを使用しよう
   ● 厚紙あつがみはね こちら からダウンロードできます)1まい
   ● たけくし、またはたけひご1ほん(17~18cm)

スーパーボールロケット つくかた
  1. ①スーパーボール(だい)のなかたけくしてます。
  2. ②スーパーボール(しょうなか)のなかちいさなあなけ、ドライバーで徐々じょじょひろげ4mmじゃくあなにします。
  3. ③そこにあなながさよりみじかった直径ちょっけい4mmのストローをれます。
  4. ④ボールをくしとおしたらボールがばないようにちいさいボールとおおきいボールをタコいとけます。
  5. 直径ちょっけい6mmのストローを6cmにります。
  6. ⑥その先端せんたんに2cmはばったビニールテープをおもりにします。
  7. 糊付のりづけしたロケットの尾翼びよくをストローのうしろにセロハンテープでりつけたら出来上できあがりです。
※シャトルの尾翼びよくうえ画像がぞうからダウンロードしてください。

ばしかた
  1. みぎのようにたけくし上部じょうぶゆびでつまみ、そのままゆびはなして落下らっかさせます。
  2. このロケットは非常ひじょうびます。まず最初さいしょひく位置いち(20~30cm)からはじめてください。
  3. みぎのロケットをがった状態じょうたいばしアスファルトの地面じめん落下らっかさせたところ、なんと
  4. 電柱でんちゅうかるえていきました。(10m以上いじょう?)

実験じっけんしてみよう

ロケットをつくまえに、まずスーパーボールを使つかってつぎのことをためしてみましょう。
スーパーボール(だい)とスーパーボール(なか)を両手りょうてっておな位置いちからしたとすとどうなるでしょう?

   ● スーパーボール(だい)のほうたかがる?
   ● スーパーボール(なか)のほうたかがる?
   ● どちらもおなじぐらいがる?

スーパーボール(だい)のくしにスーパーボール(なか)をとおし、①とおな位置いちからとしてみましょう。
スーパーボール(なか)はどのくらいねるでしょうか?

   ● ①の実験じっけんのときとだいたいおな位置いちがる?
   ● ①の実験じっけんのときよりがらない?
   ● ①の実験じっけんのときよりたかがる?

つぎ条件じょうけん完成かんせいしたロケットを一定いっていたかさからとしてみましょう。
最初さいしょはロケットをひく位置いちからとしてみてください。

   ● そのままの状態じょうたいでロケットをとしてみる
   ● スーパーボール(だいなか)の2つをビニールテープで固定こていしてとしてみる
   ● スーパーボール(だいなかしょう)の3つをビニールテープで固定こていしてとしてみる
   

考察こうさつ

スーパーボールロケットがシャトルを発射はっしゃするまでの物理ぶつり過程かてい
エネルギーは相互そうご変換へんかんされたり、うつわったりします。ったスーパーボールロケットが位置いちエネルギー(ポテンシャルエネルギー)は、はなした瞬間しゅんかんから運動うんどうエネルギーへとしだいに変換へんかんされ、地面じめん衝突しょうとつ直前ちょくぜんにはすべ運動うんどうエネルギーに変換へんかんされます。
スーパーボールロケットが地面じめん衝突しょうとつしたとき、運動うんどうエネルギーの一部いちぶは、わずかながらねつエネルギーに変換へんかんされ外部がいぶ放出ほうしゅつされます。
そのスーパーボールが弾性だんせいにより運動うんどうエネルギーはきをぎゃく方向ほうこうえ、(作用さよう反作用はんさよう法則ほうそく今度こんど落下らっかとはぎゃく運動うんどうエネルギーを徐々じょじょ位置いちエネルギーに変換へんかんさせながら、スーパーボール(だい)から(なか)、(なか)から(しょう)へと、さらに衝突しょうとつしていく過程かてい運動うんどうりょう変化へんかさせ、最後さいごにシャトルをたかばす運動うんどうエネルギーになります。
つまり、もとの位置いちよりもたかがる理由りゆうは、エネルギーがおもいほうからかるいほうへとうつったからです。
一見いっけん不思議ふしぎえるシャトルをたかげるエネルギーも、もとをたどればスーパーボールロケット自体じたい落下らっか開始かいし直前ちょくぜんっていた位置いちエネルギーになりません。
その位置いちエネルギーが運動うんどうエネルギーに変換へんかんされシャトルをばしているのです。
スーパーボールロケットが位置いちエネルギーはかたちえながらスーパーボール(だい)、(なか)、(しょう)、さらにはシャトルへとうつっていきますが、衝突しょうとつ摩擦まさつそとげてしまうねつエネルギーなどもふくめて、エネルギー全体ぜんたいりょうわることがありません。(エネルギー保存ほぞん法則ほうそく


画像がぞう出典しゅってん: ●フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』 ●JPL 米国べいこくジェット推進すいしん研究所けんきゅうじょ収録しゅうろく画像がぞう
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