NHK高校講座

ベーシックサイエンス

Eテレ 毎週 火曜日 午後2:30〜2:40
※この番組は、前年度の再放送です。

ベーシックサイエンス

今回の学習

第8回

ジャンプで列車を動かせ! 〜作用・反作用〜

  • 科学監修:東京理科大学教授 川村 康文
学習ポイント学習ポイント

ジャンプで列車を動かせ! 〜作用・反作用〜

  • 池にオールを落とす
  • 波をつくる?

今回はまず問題からスタートです。

ワニが住む池で、ボートのオールを落としてしまいました。
あと少し移動できれば桟橋まで辿り着けそうです。
しかし、池には流れがなく、手で水をかくのはワニがいるため危険です。

どのようにすれば、桟橋まで移動することができるでしょうか。


田畑 「ボートの中には旅行カバンが1つだけあります。」

二千翔 「動きたい方向と反対にカバンを投げて、波をつくってボートを動かす。」

藤本 「水面に波をつくって波に乗るために投げる?」

  • カバンを投げる
  • 反作用の力がボートを進ませる

この問題の解決方法は、「カバンをボートの進みたい方向と反対の向きに勢いよく投げる」です。
こうすると、ボートは投げた方向とは反対の向きに進みます。


二千翔 「私は波だと思ったけど、違うんですよね?」

藤本 「物体に力を加えると、必ず反対の向きの力を受けます。これを 『作用・反作用』といいます。カバンを投げた力の、反作用の力がボートを進ませるのです。」

投げた方向と反対の向きに進むのか?
  • 台車
  • 勢いよく投げる

作用・反作用を確かめる実験をしてみます。
物を投げると、本当に投げた方向と反対の向きに進むのでしょうか。 

ボートの代わりにレールに乗った台車、旅行カバンの代わりにボーリングのボールを用意しました。
台車の上に立ってしっかりと構え、ボーリングのボールを勢いよく水平に投げます。

  • 台車とボールの作用・反作用
  • 作用・反作用の法則

里奈ちゃんがボールを投げると、台車はボールを投げた方向とは反対向きに約8.5cm動きました。
ボールを動かした力が作用、台車を動かした力が反作用 です。

ある物体が他の物体に力を加えた場合、必ず同時に同じ大きさの逆向きの力を受けます。
これを『作用・反作用の法則』 といいます。

どれだけ台車を進ませられるか?
  • 台から飛び降りる里奈
  • 重い人ほど大きな反作用

今度は、1人ずつ台車からジャンプして、どれだけ台車を進ませられるか実験してみます。
ただし、ジャンプする距離は3人とも同じとします。

3人の記録は、里奈ちゃんは1.81m、彩加ちゃんは1.52m、二千翔ちゃんは2.05mでした。
優勝した二千翔ちゃんには、藤本チーフより「体重が一番重いで賞」が贈られました。

この実験は、誰が一番大きな反作用を発生させたかを調べるものでした。
跳んだ距離が同じだった場合、体重が重い人ほど大きな力を発生させて跳んだことになります。
つまり、重い人ほど大きな反作用を発生させるため、台車は大きく動くことになります。

ジャンプで列車を動かせ!
  • 列車の完成
  • 列車に20人が乗った図

ここで、藤本チーフから問題です。

藤本 「台車を連ねて列車をつくり、そこから20人が1人ずつ走って跳び降りたとしたら、列車をどのくらい動かすことができるのでしょうか。列車の重さは約500kg、その上に20人が乗ると、総重量は2t(2000kg)です。」

彩加 「1人跳ぶのが1mとして、1m×20人で20mくらいかな?」


実際に実験を行います。
3台の台車を並べて、その間を板で繋ぎ、走りやすいように滑り止めのテープを貼りました。
完成した列車は長さ10m、重さ約500kgで、人の体重を合わせた総重量は約2t(2000kg)です。

反作用だけで、どれだけ列車を動かすことができるでしょうか。

  • 列車から人が走り降りる
  • 89m

列車のブレーキを解除して実験を開始します。
列車の上の人が次々と走り出し、列車から跳び降りていきます。
はじめ ゆっくりと動き始めた列車は、次第にスピードが速くなっていきます。

20人目が跳び降りた後も、列車は動き続け、距離をどんどん伸ばしていきます。
最終的に動いた距離は、約89mでした。
人が走って跳び降りるだけで、列車を89mも距離を動かしてしまうほど、反作用の力は大きいということが分かりました。

身の回りの作用・反作用の法則
  • テーブルを押す川村先生
  • 肩を叩くときに生じる作用・反作用

ここで、ガリレオ先生こと、川村 康文 先生(東京理科大学教授)に詳しく解説していただきます。


川村先生 「私たちの身の回りには、作用・反作用の法則に関することが沢山あります。キャスター付きの椅子に座ったまま、テーブルを思い切り押すと、椅子は後ろに滑っていきます。前に押すのが作用で、後ろに押し返されるのが反作用です。」

田畑 「これを言うための椅子だったんですね。」


すると、「そうなんですよー!」と言って川村先生が田畑さんの肩を強く叩きました。
このとき、叩かれた田畑さんの肩はもちろんのこと、叩いた川村先生の手も同様に痛くなります。
「肩を叩く」という作用に対し、反作用で叩いた手が押し返されるためです。

  • ロケットの打ち上げ映像
  • ロケットの打ち上げ映像
  • ロケットの作用・反作用

川村先生 「これを使うと宇宙まで行くことができます。ロケットも実は、作用・反作用の法則を使っています。」

ロケットは、発射の瞬間に多量のガスを噴射します。
ロケットが上昇できるのは、このガス噴射の反作用を利用しているためです。

  • 作用・反作用は力学における基礎中の基礎
  • 次回もお楽しみに〜

川村先生 「力学を考える上で、作用・反作用は基礎中の基礎です。これを理解すれば、リケジョ間違いなしです!」


最後に、ジャンプで台車を進ませる実験を、彩加ちゃんと里奈ちゃんの2人で行いました。
2人で跳ぶと体重も2人分のため、1人のときよりも台車の移動距離が長くなります。


それでは次回もお楽しみに〜!

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