ペットボトル握力計

簡易モーターの完成写真
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ペットボトルで浮沈子をつくる工作は、ネット上にも星の数ほどたくさんありますが、いずれも教材として使うにはもう一工夫・・ということで考案したもので、浮沈子を利用した「握力計」です。

この教材のオリジナルは"おもしろ実験・ものづくり事典"/東京書籍に掲載された「浮沈子を利用した握力計」(私の紹介)で、科学工作教室などで利用できるように、ギリギリまで簡略化したものです。

より圧力計らしくした改良型もあります。

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目次

つくり方
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2
必要な材料と工具
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2
製作
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
浮沈子本体を作る
・・・・・・・・・・・・・・・ 3
鎖をつける
・・・・・・・・・・・・・・・ 3
組み立てと調整
・・・・・・・・・・・・・・・ 3
動作原理
・・・・・・・・・・・・・・・・・4
考察・課題
・・・・・・・・・・・・・・・・・4
参考資料
・・・・・・・・・・・・・・・・・5
付録
・・・・・・・・・・・・・・・・・5
文書情報
・・・・・・・・・・・・・・・・・6

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つくり方

必要な材料材料のすべての写真

ペットボトル
炭酸飲料用の500mlサイズ ・・・・・1個
"たれビン"
醤油やソースを入れる小さな容器・・1個
アルミかステンレスの細い鎖・・・・20cm程度
ヒートン
真鍮かステンレス製の00番・・・・1個
キーリング
ごく小さなもの・・・・・・・・・・1個
糸はんだ
  ・・・・・・・・・・・・・・・1個
湯冷まししたもの・・・・・・・・・必要量

工具工具の写真

ラジオペンチ
鎖を切ったりヒートンを曲げたり
錐(キリ)
四方錐と呼ばれるタイプ

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部品の製作

細かい作業や力を入れる部分もあるので注意して。

浮沈子の工作

"たれビン"にヒートンを取り付ける。

"たれビン"のキャップにヒートン(00番)をねじ込み鎖を取り付けられるようにする。

  1. キャップにキリで穴をあける
    "たれビン"のキャップに下穴をあける。
  2. ヒートンをねじ込む
    ヒートンをねじ込む。
  3. ヒートンの輪をねじって鎖を入れやすくする。
    ヒートンを二本の(ラジオ)ペンチでひねって鎖が入りやすくしておく。
ボールチェーンにカップリングをとりつける。・・ボールチェンを使う場合
  1. ボールチェインとカップリング
    カップリングを開く。
  2. カップリングにチェーンを入れて
    カップリングにチェーンを入れて
  3. カップリングを閉じる。
    カップリングを閉じる。
ボールチェーンにカップリングをとりつける。・・マンテルチェンを使う場合
  1. カップリングにチェーンを入れて
    チェンにリングをつける。
チェーンと"たれビン"をつなぐ。
  1. ヒートンに通し
    カップリングを"たれビン"のヒートンに通す。
  2. ヒートンの口を閉じる
    ヒートンの口をねじって元に戻す。

組み立てと調整

ペットボトルに浮沈子を入れて、空気の量や鎖に糸はんだを巻いて沈む深さを調整する。

感度を上げるには?
PETボトルを握っても浮沈子の上下の動きが小さい場合
空気の量を多くすると、気体の体積の変化量が大きくなり浮力の変化量も大きくなります。
鎖の単位長さあたりの重さが軽いものにすると浮力の変化が同じでも浮き沈みの幅が大きくなります。
感度を下げるには
浮沈子の上下動が大きすぎる場合
空気の量を少なくすると圧力が加わった時に減少する体積も小さくなるためより浮力の変化が少なくなる。
鎖の単位長さあたりの重さを重たくすると、上下動の幅が小さくなります。
いずれも浮沈子の高は糸はんだの量で調整する。

動作原理

アルキメデスの原理(浮力)
「水中に沈めた物体は、その物体がおしのけた水の重量だけ軽くなる」
パスカルの法則
「密閉された流体はその一部に受けた圧力をそのまますべての部分に伝える」
ボイルの法則
「気体の体積は圧力に反比例する」

の3つの物理法則を実感させる工作です。

  1. 浮いている浮沈子
    浮沈子(と鎖)が水を押しのけた分だけ軽くなって、ぶら下がっている鎖(と浮沈子)の重さがつりあって水中にとどまっています。
  2. 浮いている浮沈子
    ペットボトルを外から押さえると、その圧力は内部のすべての部分に伝わります。(パスカルの法則)
  3. 浮いている浮沈子
    水は圧力によって体積は変化しないと考えてよいですが、浮沈子内の空気は(気体なので)圧力に反比例して小さくなります。(ボイルの法則)
  4. 浮いている浮沈子
    浮沈子はその分体積が小さくなるため浮力が小さくなります。(アルキメデスの法則)
  5. 浮いている浮沈子
    そのため浮沈子は沈みますが、鎖は沈んだ深さに比例して底についてしまうので、浮沈子にかかる鎖の重さは減っていき、つりあったところで止まります。

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余談と考察

浮沈子を英語でいうと

浮沈子は英語では、the Cartesian Diver と呼ばれます。直訳すると「デカルトの潜水士」(Cartesianは「デカルトの」「デカルト派」という意味)

だからと言ってデカルトの発明品ではないようです。次項参照

浮沈子(デカルトの潜水士)の発明者は?

欧米では、古くから「デカルトの潜水士(the Cartesian Diver)」という名前で浮沈子は呼ばれていますが、その本当の発明者を調べた人がいます。A Philosophical Toyによると、

以下私のへたな翻訳。(当時の時代背景もあって)は私の注

しかしながら、最初の「デカルトの潜水士」ないし「デカルトの悪魔」の発明者として称えられるべき人物は、ガリレオの弟子の「Raffaelo Maggiotti」という人物である。 Maggiottiの書いた小さなパンフレット(1648年、Targioni-Tozzetti、Giovanni 1780年再版)に、『それは私の発明品である』("L'invention mia non consiste nel caldo, o ned freddo; ma nella Renitenza all Compressione ")と書かれています。 (当時の時代背景もあって)浮沈子は間違ってデカルトの名前が冠せられました。

なお、デカルトの出身国フランスでは、浮沈子がデカルトに関連付けられることはなく、ludion(ラテン語の俳優に由来する言葉で「冗談好きな人」「放浪芸能人」と言うような意味)と呼ばれています。

原文

However, it is one of Galileo's students, Raffaelo Maggiotti, who is given credit for first describing the Cartesian diver or devil in writing (Rose, 1970). In a short pamphlet Maggiotti (1648, reprinted in Targioni-Tozzetti, Giovanni , 1780) speaks of the device as "my invention" ("L'invention mia non consiste nel caldo, o ned freddo; ma nella Renitenza all Compressione "). The diver has been falsely ascribed to Descartes (Damerow, 1994). The French do not refer to the diver as Cartesian but rather as ludion, a word derived from the Latin meaning actor, jester, wandering entertainer (Feral, 1994).

全文は引用元のA Philosophical Toyを読んでください。


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この浮沈子にたどり着いた経緯

子供の頃に読んだ科学雑誌--たぶん「子供の科学」で深海潜水艇バチスカーフの図解説明で、その潜水艇が浮力を得るためにガソリンを使っていたこととともに着底の衝撃を防ぐために鎖をたらしていたという知識がありました。

この知識から、浮沈子が沈むにつれて確かに浮力は減るが、それ以上に浮沈子の重さを減らせば自立的にバランスを取れるはずだとひらめいた結果が、「浮沈子を利用した握力計」でした。

ただ、この「浮沈子を利用した握力計」は、工作も材料も高度すぎて、ちょっと作ってみると言うわけにはいきませんでした。そこで徹底的に余分なものを省いたものが、この浮沈子「ペットボトル握力計」です。

教材としてのアピール

従来の浮沈子を遊んだ事のある人なら誰でも経験があると思いますが、浮沈子は(握ったり緩めたりと積極的にコントロールしても)水中の定位置にとどめておく事はできません。それは沈めば水圧が増えてますます浮力を失う、すなわち自立的にはバランスを取れないという原理的な問題があるからです。

そのため、従来からある色々な浮沈子は、せいぜい動作を面白くするなど工夫の範囲も限られたもので、動作原理に書いたような原理や法則を説明するための教材としては力不足で、楽しいおもちゃの域を出ることはありませんでした。

この浮沈子「ペットボトル握力計」は、ほぼ正確に加えられた圧力に比例して浮沈子が沈みます。密閉された調味料容器を使うことで時間による気泡の大きさの変化もありませんから、体積によって浮力が変わることを示すアルキメデスの原理(浮力)、ペットボトルの一部を押すと浮沈子の大きさが変わることからパスカルの法則、そして、沈む深さが加えられた力に比例することから、体積が圧力の大きさに反比例するボイルの法則を視覚的に、そして楽しく体験できます。


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参考資料

完全なオリジナルですので、参考資料はありません。

関連リンク

YPC での浮沈子の発展史
YPC[横浜物理学会]のサイトにあるPDFファイル、ここには他にも浮沈子の情報が色々あります。

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付録

鎖について

材質
水中で使用するため鎖の材質は錆びないステンレスや真ちゅう製のものを使います。なお、中に入れる水に湯冷ましを使かい、ほんの一つまみ石灰(酸化カルシウム[CaO]ないし消石灰[Ca(OH)2])を入れておけば、入手しやすい鉄にクロームメッキの施されている鎖でも錆びないかもしれません。
浮沈子が上下するたびに、もつれたり引っかかったりしないために鎖はマンテル形かボールチェーンを使うと良い。
サイズ
あえて公表しません。自分で色々工夫して最適なものを選んでください。

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文書情報

更新履歴

First Published
2002-05-20
Last Modified
2006-06-06 16:02:31 (JST)
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このページの目次

つくり方
必要な材料と工具
工作に必要な材料と道具をそろえる。

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