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実験

どっちにころがる?ダンベルで学(まな)ぶ「回転(かいてん)モーメント」

実験 どっちにころがる?ダンベルで学(まな)ぶ「回転(かいてん)モーメント」

ダンベルにぐるぐるまきつけたひもを引(ひ)っぱると、ダンベルはころがりながら近(ちか)づいてくる? それとも遠(とお)ざかる? 
答(こた)えは、どちらも正解(せいかい)。ダンベルがどちらにころがり出(だ)すかは、ある条件(じょうけん)によって変(か)わるんだ。ひもを引(ひ)っぱる角度(かくど)がヒントだよ。

用意(ようい)するもの

・水(みず)を入(い)れるダンベル(水(みず)を入(い)れて1kgくらいになるもの)
・ひも(たこ糸(いと)などでもよい。1.5mくらい)

やり方(かた)

じゅんび

1)ダンベルに水(みず)を入(い)れる。キャップはしっかりしめておく。

 

2)ダンベルの持(も)ち手(て)(まん中(なか)の細(ほそ)くなっている部分(ぶぶん))に、ひものはしをしっかり結(むす)び、ゆるみがないようにひもをぐるぐるとまきつける。

実験(じっけん)

1)平(たい)らですべらないところ(テーブルやゆか)に、ダンベルを置(お)く。
2)ひものはしを手(て)で持(も)ち、静(しず)かに引(ひ)っぱる。まず、ひもを真上(まうえ)に引(ひ)っぱってみる。ひもがほどけながら、ダンベルがころがり出(だ)す。

3)つぎは、テーブルと平行(へいこう)に(水平(すいへい)に)ひもを引(ひ)っぱってみる。どっちにころがるだろう? 今度(こんど)は、ひもをまき取(と)りながら、引(ひ)っぱった方向(ほうこう)に近(ちか)づいてくるぞ。
※真上(まうえ)に引(ひ)っぱったり、水平(すいへい)に引(ひ)っぱったりをくり返(かえ)すと、ダンベルは行(い)ったり来(き)たりして、ヨーヨーのような動(うご)きをするよ。

4)それでは、真上(まうえ)と水平(すいへい)の間(あいだ)、ななめの角度(かくど)でひもを引(ひ)っぱると、ダンベルはどちらにころがるかな? ためしてみよう。

・ひもを引(ひ)っぱる角度(かくど)が水平(すいへい)(0度(ど))に近(ちか)いと、ダンベルは近(ちか)づくようにころがる。逆(ぎゃく)に、真上(まうえ)(90度(ど))に近(ちか)い角度(かくど)で引(ひ)っぱると、遠(とお)ざかる。そのさかい目(め)となる角度(かくど)は何度(なんど)か、調(しら)べよう。
・ダンベルの持(も)ち手(て)に紙(かみ)をまき、じくを太(ふと)くして実験(じっけん)してみよう。さかい目(め)となる角度(かくど)は変(か)わるかな?

ころがる向(む)きが、なぜ変(か)わるの?

ひもを真上(まうえ)に引(ひ)くと、ひもはほどけながらダンベルの軸(じく)を回転(かいてん)させるので、ダンベルはその回転(かいてん)によってころがる。ところが、ひもを水平(すいへい)に引(ひ)いた場合(ばあい)、ダンベルとテーブルの間(あいだ)にまさつ力(りょく)がはたらき、この力(ちから)は、ひもの力(ちから)とは反対(はんたい)の向(む)きにダンベルを回転(かいてん)させようとする。ひもがまきついているじくが細(ほそ)いことが関係(かんけい)して、ダンベルの回転(かいてん)は、ひもをまき取(と)る方向(ほうこう)に起(お)こるんだ。

ものを回転(かいてん)させようとする力(ちから)を「回転(かいてん)モーメント」という。回転(かいてん)モーメントの大(おお)きさは、ある点(てん)にはたらく力(ちから)の大(おお)きさと、その点(てん)と回転(かいてん)じくとのきょりをかけた値(あたい)になる。
これは「てこ」や「てんびん」の原理(げんり)とよく似(に)ていて、回転(かいてん)じくがてこの支点(してん)に、力(ちから)がはたらく点(てん)が力点(りきてん)にあたる。そして、回転(かいてん)モーメントの大(おお)きさは、「(支点(してん)と力点(りきてん)のきょり)×(力点(りきてん)に働(はたら)く力(ちから)の大(おお)きさ)」で求(もと)められる。ダンベルの実験(じっけん)では、支点(してん)と力点(りきてん)のきょりは、持(も)ち手(て)のじくの半径(はんけい)にあたるんだ。

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