実験

【自由研究】空を飛ぶ植物の種を調べて本気で考察してみよう!後編

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。

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、フィギュアスケートと同じように、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。

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。

※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?

落下速度を決める要因▼

・空気抵抗(空気とぶつかる面積が大きいと落下速度が低下する)

→種模型の落下速度は羽の開き(大)が一番になるはずだけど、違う。

→空気抵抗だけじゃない。他の要因は?

→種模型を観察したら、中ぐらいの種模型がくるくる回る

(羽の開きが小さい方がクルクル回る)

→「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

中ぐらいの種模型が一番、相乗効果が高い!

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。

本当に好きなものじゃないと考察ってムリ!ってなるのも当たり前。

自由研究に、本気で取り組みたいとき。

ぜひ、ご自身が本気で知りたいことをテーマにしてくださいね。

 

おあとがよろしいようで。

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