実験

【自由研究】空を飛ぶ植物の種を調べて考察してみよう!

ぽんぽこぽん!ぽんすけです。

お読みいただきありがとうございます。

前回の「空を舞う種の模型をつくってみよう!」で、「羽のついた種の模型」の作り方を紹介しました。

夏休みの自由研究にお急ぎの場合、前回ご紹介した種模型を提出するだけでもOKです。

でもでも・・・

正直、理科っぽくない!

ということで、本日の記事は、もっと理科っぽい「植物の飛ぶ種」の自由研究!

『数字データ』を使った自由研究テーマをご紹介します。

この記事でわかること▼

・よく飛ぶ羽つきの種の作り方

・飛ぶ羽つき種の自由研究テーマ

・自由研究の考察のやり方

では、はじまりはじまり~☆

実験の動機

まずは、ぽんすけ的実験の動機をご紹介▼

ワインを飲んでるある日の夜。

ワインの梱包材でラワンの種模型を作った。

種模型を飛ばしてみたら、確かにクルクルと回った。

でも、羽がもっと開いていたら、滞空時間が延びるのかなぁ?と気になった。

だって、鳥って羽がもっと開いているから。

羽がもっと開いていたら、たくさん飛びそう・・・

そこで、羽の開き具合を変えた種をつくって、比べることにする。

 

では、やっていきますよー!

必要なもの

必要なものです。めっちゃシンプル。

・画用紙(色・サイズはご自由に)

・ゼムクリップ

・ストップウォッチ(スマホOK)

・メジャー

以上!

実験方法

実験のやり方を解説していきます。

まずは、実験のキモとなる「空飛ぶ種」の作り方をご紹介していきます。

空飛ぶ種の作り方

最初にやることは・・・画用紙カット!

画用紙の長さは、

縦16cm×横1.3cm

です。

画用紙でつくるラワンの種の作り方1

次に、画用紙を「少しずらして」半分に折ります。

あとは、折り目にクリップをつければOK。

画用紙でつくるラワンの種の作り方2

これで種は完成です。

実際に回してみると、こんな感じ!

 

この種の開きを変えて、滞空時間を比較していきます!



実験のやり方

実験の手順

まずは、羽の開きが違う種模型を用意します。

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが小さいもの

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが中のもの

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが大きいもの

※別の実験も並行して行ったため、種の部分にマスキングテープをまいています。実験の内容に変更はありません。

 

お次は実際にやることをご紹介していきますね。

実験のやり方▼

① 壁にメジャーを貼り付ける

② 2mの目盛りに種模型の先が合うようにしする。

③ 落とすと同時にストップウォッチをスタート

④ 種模型が「ぽとっ」と落ちた音が聞こえたらストップウォッチを止める

⑤ 種模型の滞空時間を表にまとめる

⑥ ①~⑤を羽の開きが違う種ごとに繰り返す

⑦ ⑥の結果をまとめる

ちなみに、予想は『羽の開き方が大きければ大きいほど、滞空時間が長い』です。

さあて、実際にやってみますよー!

実際にやってみた!

椅子に立って、2mの位置から種模型を落とします。

スマホのストップウォッチを用意して、さっそく実験開始!

・・・

さあ、ここで問題が発生。

ぽんすけ、種を落とす&ストップウォッチを押す動作、同時にできない!

ストップウォッチを押そうとするのですが、なぜかスタートボタンからズレた位置で押してしまうのです。

全然スタートできない。

さらにさらに・・・スマホを落とした!

種を落としつつ、ストップウォッチをスタートなんてできそうにありません。

このままスマホに衝撃を与え続けるわけにはいきません。

一人ぼっちで実験してるので、頼る相手もいません。

どうする、ぽんすけ!

・・・

・・・

手がダメなら、足でいいじゃない。

足の甲を逸らして、つま先でストップウォッチをスタートすることにしました。

・・・まあ、うまくいかないんですけどね!

でも、何度か繰り返していると、安定してストップウォッチをスタート&ストップできるようになりました。

結局、手に画用紙、足にスマホというただの変態が誕生しました。

しばらくして、スマートフォンにストラップと滑り止めをつければよかった!と思ったりもしましたが、成功したから良し。



結果をまとめてみた

羽の開き方別に、滞空時間をまとめた結果がこちら▼

画用紙でつくるラワンの種の滞空時間の結果

見やすくするために、平均値だけ並べてみます。

羽の開き具合ごとの滞空時間(平均)▼

開き方():0.65秒

開き方():0.99秒

開き方():0.87秒

あれ?

ぽんすけは、「羽の開き方が大きければ大きいほど、滞空時間が長い」と予想しました。

でも、実験結果を見てみると、滞空時間が一番長いのは、羽の開き方が中くらいです。

あれれ??

いったんCM!



これまでのお話▼

植物の種模型を作ってみた!

羽の開き方によって滞空時間が変わるかなぁ?と疑問に思った。

ぽんすけは、「羽の開き方が大きければ大きいほど、滞空時間が長い」と予想。

でも、実験結果をは、滞空時間が一番長いのは、羽の開き方が中だった。

なんで!?

さあ、考察タイムが来ましたよー!

考察してみた

「開き方が中くらいのときに、滞空時間が一番長い理由はなに?」

これを考察していきます。

考察するためには、「種模型が滞空するしくみ」を知る必要がある!

そして、ネットで調べたのですが・・・

正直、どれも難しすぎて、よくわからん!

なので、ぽんすけ流の「モノが落ちるときに、滞空する仕組み」の考え方をご紹介。

使う知識は中学校でも習う「エネルギー保存の法則」です。

「エネルギー保存の法則」から種の滞空のしくみを考えてみる

ちょっとわかりづらいので、具体例からお話していきます。

リンゴの実がくっついた木があるとします。

このリンゴの実は、エネルギーを持ちます。

この「リンゴの実が持つエネルギー」というのは、落ちる(動く)ことができるエネルギーです。

(参考までに言うと、リンゴの実が地面についていたら、落ちることができないので、エネルギーはない状態です)

この、木についたリンゴのように、『高いところにある物体が持つエネルギー』のことを「位置エネルギー」と言います。

ここでリンゴの実が木からポロっと取れて、落ちたとします。

リンゴが落ちるって、感覚的にわかる現象です。が!

この「落ちる」という動作にも、エネルギーが使われます(運動エネルギー)。

リンゴの持つ位置エネルギーが使われるのですね。

ここまでの話を、一度まとめます!

・高いところにあるモノは位置エネルギーを持つ

・モノが落ちるとき、エネルギーを消費する

種模型のお話に戻ります。

今回作った3種類の種模型は、どれも同じ重さで、同じ高さから落としています。

このとき、3種類の種模型は同じ位置エネルギーを持っているのです。

 

ここで、3種類の種模型は、すべて同じ高さから落としています。

同じエネルギーを持ったものが地面に向かって落ちるので、3種類の模型はどれも同じようにエネルギーを消費する(同じ速度で落ちる)はずです。

しかし、種模型ごとに落ちる速度が違います。

つまり・・・「落ちる」以外のエネルギーを、落ちるときに消費していることになります。

要約すると、

滞空するとは、「落ちるエネルギー」以外にナニカのエネルギーが消費されることで、落下速度が低下すること

です。

つまり、種模型ごとに、ナニカにエネルギー消費がされていることがわかります。

じゃあ、このナニカ?ってなんだろう・・・と考えたときに、まず考えられるのは、空気抵抗!

羽の開き具合と空気抵抗の関係

突然ですが、想像してみてください。

ボールを落としたときと、羽を落としたとき。

どちらがゆっくり落ちますか?

・・・

当たり前ですが、羽の方がゆっくり落ちます。

モノを落とすと、モノが空気にぶつかります。そのとき、モノを持ち上げる力が働きます(空気抵抗)。

この空気抵抗は、空気とぶつかる面積によって決まるため、ボールより羽の方がゆっくり落ちるんですね。

今度は、種模型の話に戻ります。

もう一度、小中大それぞれの種模型の写真を見てください。

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが小さいもの

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが中のもの

羽の開き()▼

画用紙でつくるラワンの種の開きが大きいもの

空気抵抗は、空気とぶつかる面積によって決まります。

この写真を見ると、空気とぶつかる面積は小<中<大の順に大きくなります。

空気抵抗だけ考えると、滞空時間は、小<中<大の順に大きくなるはず。

でも、実験結果を見てみると、滞空時間が一番長いのは、羽の開き方が中くらいでした。

つまり、空気抵抗だけが原因と考えられません。

じゃあ、他にエネルギー消費をする要因はあるのでしょうか・・・?と考えます。

・・・

・・・わからん!

ので、よくよく種模型の違いを観察します。

すると、1つ発見。

種模型の開き方が中の方が、大よりもくるくる回ってる!

※参考1:「回転飛行する種を応用した飛翔体の研究」東海大学工学部航空宇宙学科航空宇宙学専攻 稲田研究室(外部サイト)

※参考2:「流れの読み物 大きい球と小さい球2(同密度)」一般社団法人日本機械学会流体工学部門(外部サイト)



種模型の回転速度

調べてみたら、羽の開き方が小さい方がくるくる回る速度があがるということがわかりました。フィギュアスケートと同じ仕組みです。

つまり、くるくる回る速度は羽の開きが「(大)<(中)<(小)」です。

もちろん、くるくる回るって、エネルギーを使います。

つまり、空気抵抗とくるくる回る速度の相乗効果で、滞空時間の長さが変わるということがわかりました。

(詳しく知りたい人は『角運動量』と調べてみてください。)

※考察1:「流れの読み物 翼の原理」一般社団法人日本機械学会流体工学部門(外部サイト)

最後に今回の考察のまとめ!

なんで羽の開き方が中ぐらい種模型が、落下速度が一番低い(滞空時間が長い)の?

→「空気抵抗」と「羽の開きの角度」相乗効果で落下速度が決まるため。

→中ぐらいの種模型が一番、相乗効果が高いと考えられる。

おっ疲れ様でした!

これにて考察は終了です。

本気で考察しようと思うと、いろいろ調べたり、追加で実験したり・・・とても大変です。

もし困ったら「」に質問してみてください。

あなたの自由研究を全力でお手伝いをします!

 

おあとがよろしいようで。

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