フリー素材そざい・ペーパークラフト教材きょうざい｜はなまる♪まとめノート

多段ただん式しきロケットとツィオルコフスキー

月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大おおきさになるのかな・・・

今いまやお祭まつりや縁日えんにちで「金魚きんぎょすくい」に並ならぶ定番ていばん中ちゅうの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大おおきさ（直径ちょっけい26mm）に月つきを縮尺しゅくしゃくしたら、地球ちきゅうはどれくらいの大おおきさになると思おもいますか？
直径ちょっけい40mmのピンポン玉だまサイズでしょうか？それとも、直径ちょっけい65mmのテニスボールの大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機き「はやぶさ」が地球ちきゅうに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、その大おおきさは4ミクロンとなり、酵母こうぼ菌きんや乳酸菌にゅうさんきんと同どう程度ていどのサイズになります。

イトカワってほんとに小ちいさな惑星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月つきまでの距離きょりはのどれくらいになると思おもいますか？
地球ちきゅうから月つきまでの平均へいきん距離きょりはおよそ38万まんkmなので、縮尺しゅくしゃくすると2.8m離はなれていることになります。

ちなみに、太陽たいようは直径ちょっけいが地球ちきゅうの109倍ばいなので、直径ちょっけい約やく10mの小ちいさな天文台てんもんだいのドーム程度ていどの大おおきさとなり、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1億おく5000万まんkmなので、ソフトボール大だいの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は約やく1.2km程度ていどとなります。
また、この1.2kmの距離きょりを自転車じてんしゃで8分ふん20秒びょう（時速じそく8.64km）かけて走はしったとすれば、その自転車じてんしゃは光ひかりの速度そくどで走はしったことになります。

宇宙うちゅうを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。

物理ぶつり好すきな方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論ろんで知しられたロシア生う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の中なかに、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を分わかりやすく解説かいせつした「不思議ふしぎの国くにのトムキンス」　（ガモフ全集ぜんしゅう第だい1巻かん －全ぜん13巻かん・別巻べっかん3巻かん－）という一般いっぱん向むけの科学かがく啓蒙けいもう書しょがあります。その中なかの第だい一いち話わ「のろい町まち」の舞台ぶたいとなっている町まちは、光ひかりの速度そくどが時速じそく10km程度ていどしかないので、自転車じてんしゃに乗のって走はしっただけでもローレンツ短縮たんしゅくや光ひかりのドップラー効果こうか、ウラシマ効果こうかが現あらわれ、町まちのいたるところで相対性理論そうたいせいりろんが予言よげんする不思議ふしぎな現象げんしょうが起おこります。
月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を身近みぢかに感かんじられる「のろい町まち」のような不思議ふしぎな空間くうかんを思おもい起おこさせます。

相対性理論そうたいせいりろんが導みちびく不思議ふしぎな世界せかいの話はなしはまた別べつの機会きかいに譲ゆずるとして、ここからさきは光ひかりの速度そくどよりはるかに遅おそい宇宙うちゅうロケットの話はなしに移うつります。
ペンシルロケットから始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」の名前なまえの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を抜ぬきにしては語かたれないように、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・ブラウンを抜ぬきにしては語かたれないように、それらロケット開発かいはつの技術ぎじゅつ的てきベースとなっている多段ただん式しきロケットを語かたる上じょうで、旧きゅうソ連それんの科学かがく者しゃコンスタンチン・E・ツィオルコフスキーを抜ぬきに話はなしを進すすめることはできないでしょう。
彼かれは、「ロケットが十分じゅうぶんな推力すいりょくを得えるためには、移動いどう体たい部分ぶぶんの質量しつりょうは全体ぜんたいに比くらべてできるだけ小ちいさいことが望のぞましく、必要ひつようの無なくなった部分ぶぶんは切きり離はなすべきだ」という考かんがえに基もとづいて多段ただん式しきロケットを考案こうあんし、1897年ねんに世界せかいで最初さいしょのロケット理論りろんを発表はっぴょうしました。さらに彼かれは、多段ただん式しきロケットでなければ人工じんこう衛星えいせいを衛星えいせい軌道きどうに乗のせる第だい1宇宙うちゅう速度そくど（およそ秒速びょうそく7.9km）に達たっすることができないとも考かんがえていました。
理論りろん発表はっぴょうから一いち世紀せいき以上いじょうが経過けいかした今いまも、衛星えいせい打うち上あげ機きは全すべて多段ただん式しきとなっていて、彼かれの考かんがえが正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、そのことが彼かれを「ロケット工学こうがくの父ちち」呼よぶ所以ゆえんでもあるのです。そんな彼かれの偉業いぎょうを称となえて、後のちに月つきの裏側うらがわで発見はっけんされた直径ちょっけい約やく185kmの美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」と彼かれの名なが冠かんされました。

月つきロケットと言いえば、「アポロ」や「かぐや」を思おもい浮うかべる方ほうも多おおいと思おもいますが、これらの探査たんさ機きを運はこぶロケットも多段ただん式しきロケットになっています。
重力じゅうりょくを振ふり切きって月つきへ向むかうには、衛星えいせい打うち上あげ時じに必要ひつような第だい1宇宙うちゅう速度そくどを超こえ、さらに多段ただん式しきロケットで第だい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、前述ぜんじゅつの小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「やはぶさ」も多段ただん式しきロケットにより第だい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、第だい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を抜ぬけ出だすのに必要ひつような速度そくどで、およそ秒速びょうそく16.7kmになります。
今いまのところ、この第だい3宇宙うちゅう速度そくどを超こえた探査たんさ機きはパイオニア10号ごう、11号ごう、ボイジャー1号ごう、2号ごうの4機きしか存在そんざいしません。
これらの探査たんさ機きはまず多段ただん式しきロケットで打うち上あげられ、惑星わくせいや衛星えいせいなどの重力じゅうりょくや公転こうてん運動うんどうを利用りようし、（スイングバイ航法こうほう）第だい2宇宙うちゅう速度そくどから第だい3宇宙うちゅう速度そくどへと加速かそくしました。

中学生ちゅうがくせいの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？

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

多段ただん式しきスーパーボールロケットは、中学生ちゅうがくせいが理科りかで習ならう、身近みぢかな物理ぶつり現象げんしょう「力ちからと圧力あつりょく」（1学年がくねん）、「エネルギーの移うつり変かわり」（3学年がくねん）に沿そ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を使つかった理科りかの授業じゅぎょうなどにご利用りようください。
一般いっぱん的てきにスーパーボールは反発はんぱつ係数けいすう（跳はね返かえり係数けいすう）が高たかくとてもよく弾はずみます。このスーパーボールの性質せいしつを使つかって、多段ただん式しきロケットの実験じっけんをしてみましょう。

★必要ひつような工具こうぐ
　　　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。
　　　その他た、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。

左ひだりのように、クリップ類るいは糊付のりづけした羽はねをロケット本体ほんたいに固定こていするときに使用しようします。
金具かなぐ類るいは、あらかじめ長ながさを揃そろえたタコ糸いとに結むすんでおきましょう。
3段だん目めのスーパーボール（小しょう）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（大だい）から（中なか）へと移うつり継つがれて加くわわりますのでしっかりと固定こていしてください。
ボールが飛と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、下したの材料ざいりょうの中なかのタコ糸いとや金具かなぐ類るいは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。もし実験じっけん中ちゅうにネジやヒートンが外はずれてしまう場合ばあいは、金具かなぐの上うえからビニールテープでボールに巻まきつけて固定こていしてみてください。
スーパーボール（大だい）に挿さす竹たけ串くしやスーパーボール（中なか・小しょう）に挿さすストローは、深ふかく挿さし過すぎると弾はずまない原因げんいんになるので注意ちゅういが必要ひつようです。
スーパーボール（大だい）には竹たけ串くしを直径ちょっけいの1/3まで挿さし、スーパーボール（中なか・小しょう）は直径ちょっけいの2/3の長ながさのストローを中央ちゅうおうまで差さし入いれてください。

★材料ざいりょう
　　　● スーパーボール（大だい60mm・中ちゅう36mm・小しょう26mm）３個こ
　　　● ストロー2本ほん（穴あなの直径ちょっけいが4mmと6mm各かく1本ほん）
　　　● ビニールテープ
　　　● セロハンテープ
　　　● のり又または木工もっこう用ようボンド
　　　● 真鍮しんちゅうヒートン２個こ
　　　● 木もくねじ２個こ（右みぎの画像がぞうより少すこし長ながめが良よいようです）
　　　● タコ糸いと 50cm（強つよく切きれにくいものを使用しよう）
　　　● 厚紙あつがみ（羽はねは こちら からダウンロードできます）１枚まい
　　　● 竹たけ串くし、または竹たけひご１本ほん（17～18cm）

★作つくり方かた

1. ①スーパーボール（大だい）の真まん中なかに竹たけ串くしを立たてます。
2. ②スーパーボール（小しょう・中なか）の真まん中なかに小ちいさな穴あなを開あけ、ドライバーで徐々じょじょに広ひろげ4mm弱じゃくの穴あなにします。
3. ③そこに穴あなの長ながさより短みじかく切きった直径ちょっけい4mmのストローを挿さし入いれます。
4. ④ボールを串くしに通とおしたらボールが飛とばないように小ちいさいボールと大おおきいボールをタコ糸いとで付つけます。
5. ⑤直径ちょっけい6mmのストローを6cmに切きります。
6. ⑥その先端せんたんに2cm幅はばに切きったビニールテープを巻まき付つけ錘おもりにします。
7. 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後うしろにセロハンテープで貼はりつけたら出来上できあがりです。

★飛とばし方かた

1. 右みぎのように竹たけ串くしの上部じょうぶを指ゆびでつまみ、そのまま指ゆびを離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に良よく飛とびます。まず最初さいしょは低ひくい位置いち（20～30cm）から始はじめてください。
3. 右みぎのロケットを立たち上あがった状態じょうたいで手てを伸のばしアスファルトの地面じめんへ落下らっかさせたところ、なんと
4. 電柱でんちゅうを軽かるく飛とび越こえていきました。（10ｍ以上いじょう？）

☆実験じっけんしてみよう

①ロケットを作つくる前まえに、まずスーパーボールを使つかって次つぎのことを試ためしてみましょう。
スーパーボール（大だい）とスーパーボール（中なか）を両手りょうてに持もって同おなじ位置いちから下したに落おとすとどうなるでしょう？

　　　● スーパーボール（大だい）の方ほうが高たかく跳はね上あがる？
　　　● スーパーボール（中なか）の方ほうが高たかく跳はね上あがる？
　　　● どちらも同おなじぐらい跳はね上あがる？

②スーパーボール（大だい）の串くしにスーパーボール（中なか）を通とおし、①と同おなじ位置いちから落おとしてみましょう。
スーパーボール（中なか）はどのくらい跳はねるでしょうか？

● ①の実験じっけんのときとだいたい同おなじ位置いちに跳はね上あがる？ 　　　● ①の実験じっけんのときより跳はね上あがらない？ 　　　● ①の実験じっけんのときより高たかく跳はね上あがる？ ③次つぎの条件じょうけんで完成かんせいしたロケットを一定いっていの高たかさから落おとしてみましょう。 最初さいしょはロケットを低ひくい位置いちから落お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落おとしてみる 　　　● スーパーボール（大だい・中なか）の2つをビニールテープで固定こていして落おとしてみる 　　　● スーパーボール（大だい・中なか・小しょう）の3つをビニールテープで固定こていして落おとしてみる

☆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に変換へんかんされたり、移うつり変かわったりします。手てに持もったスーパーボールロケットが持もつ位置いちエネルギー（ポテンシャルエネルギー）は、手てを離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全すべて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に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、わずかながら熱ねつエネルギーに変換へんかんされ外部がいぶに放出ほうしゅつされます。
その後ごスーパーボールが持もつ弾性だんせいにより運動うんどうエネルギーは向むきを逆ぎゃく方向ほうこうに変かえ、（作用さよう反作用はんさようの法則ほうそく）今度こんどは落下らっか時じとは逆ぎゃくに運動うんどうエネルギーを徐々じょじょに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（大だい）から（中なか）、（中なか）から（小しょう）へと、さらに衝突しょうとつしていく過程かていで運動うんどう量りょうを変化へんかさせ、最後さいごにシャトルを高たかく飛と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高たかく跳はね上あがる理由りゆうは、エネルギーが重おもいほうから軽かるいほうへと移うつったからです。
一見いっけん不思議ふしぎに見みえるシャトルを高たかく打うち上あげるエネルギーも、元もとをたどればスーパーボールロケット自体じたいが落下らっか開始かいし直前ちょくぜんに持もっていた位置いちエネルギーに他たなりません。
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飛とばしているのです。
スーパーボールロケットが持もつ位置いちエネルギーは形かたちを変かえながらスーパーボール（大だい）、（中なか）、（小しょう）、さらにはシャトルへと移うつっていきますが、衝突しょうとつや摩擦まさつで外そとへ逃にげてしまう熱ねつエネルギーなども含ふくめて、エネルギー全体ぜんたいの量りょうは変かわることがありません。（エネルギー保存ほぞんの法則ほうそく）


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