ペットボトル握力計2

ペットボトル握力計2
画像をクリックすると大きな画像にリンクします。

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。

これはペットボトル握力計で作成したものを、工作教室で使えるようにより改良したものです。--2006年の"青少年のための科学の祭典岩国大会"の体験ブースで使用したものです。

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。

このページは印刷に最適化されています。上下左右の余白を最小にして印刷してください。FirefoxOperaなど、スタイルシートに対応したブラウザなら正しく印刷されます。なお、印刷時には表紙と目次が印刷されます。

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

< 1 >

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
調味料入れ
醤油やソースを入れる小さな容器・・1個
ステンレスのボールチェン・・・・・20cm程度
ステンレスボールチェン用カップリング・・1個
ヒートン
真鍮かステンレス製の0番・・・・・1個
タピオカ用ストロー
内径10mm程度・・・・・・・・・・・1個

工具工具の写真

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
半田ごて
こて先が細くて丸いもの
工作用の鋏
サインペン
油性のサインペン:メモリを描く
定規
メモリを描いたり、切るときに

< 2 >

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

調味料入れにヒートンを取り付ける。

調味料入れ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
    調味料入れ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。
  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。
チェーンと調味料入れをつなぐ。
  1. ヒートンに通し
    カップリングを調味料入れのヒートンに通す。
  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。
調味料入れの一部を切り取る。
  1. ナイフで調味料の肩部分を少し切る。
    調味料入れの肩部分を切り取る。
  2. ヒートンをねじ込む
    切り取った状態。
  3. 必要なら、バケツに浮沈子を入れて底から浮沈子の最上部が15cm程度になるように糸はんだを巻きつけて調整する。

PETボトルの工作

インナーパイプの加工
  1. ストローから15mmのところと10mmのところで切り離す
    ストローの端から15mmのところで切り離し、さらに5mm切り離す。
  2. パイプにメモリを描く
    パイプにメモリを描いておく。
  3. パイプの端に2cm程度の切込みを入れる。
    パイプの端の周囲に、8から十数か所に2cm程度の切込みを入れておく。
  4. パイプと先に切り落としたパイプの両方にホースを被せて組み合わせる。
    パイプと先に切り落としたパイプの両方にホースを被せて組み合わせる。
  5. 被せたホース部分にビニールテープを巻いて太さを調整し本体に固定する。
    パイプをPETボトル本体に固定する。パイプの周囲にビニールテープを巻いて太さを調整する。
  6. 本体に入れて浮沈子、
    パイプをPETボトル本体に固定する。パイプの周囲にビニールテープを巻いて太さを調整する。

組み立てと調整

ペットボトルに浮沈子を入れて、鎖の重さや空気の量を調整する。


< 3 >

調整のポイント

下記を参考に握力計として使えるように調整する。

浮沈子内部の空気の量
多いほど鋭敏になる。
鎖の種類
軽いほど鋭敏になる。
オモリ(糸はんだ)
何もしないときの浮沈子の高さを調整できる。

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. 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. 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. 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。

< 4 >

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。


< 5 >

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ないと)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なかったと思います。

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。


< 6 >

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。

< 7 >

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。

< 8 >

文書情報

更新履歴

First Published
2002-05-20
Last Modified
2006-06-06 16:02:31 (JST)
© 2005 - 2010 All Rights Reserved mailto:shizuka@ichiya.com

< 9 >

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。

このサイトの目次

トップページ
イルカのウェブサイトのトップ
URL: http://iruka.la.coocan.jp/
科学工作工作
科学工作の一覧
URL: http://iruka.la.coocan.jp/craft/

このページの仕様

Valid HTML 4.01!

Valid CSS!

連絡・問い合わせ
http://iruka.la.cooca.jp/ContactUs.html

このサイトの仕様
http://iruka.la.coocan.jp/rika/Specifications.html

プリント可能印刷OK


< 10 >