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小学生向き自由研究のヒント:水と空気で遊ぶ

下図のように筒の先端Aに紙玉(テッィシュペーパーを水で濡らして丸めたもの)を詰め、筒のもう一方の端からも紙球を詰めます。 そして、木の棒で、青矢印の方向に紙玉を押し込むと、どうなるでしょう?
紙球鉄砲
始めは棒は弱い力で押せますが、次第に大きな力が必要になり、上図のA−B間が短くなって、ついにはAの位置にあった紙玉が青矢印の方向に勢いよく飛び出します。 これは、筒のA−B間の中に入っていた空気が、棒で紙玉Bを押したために圧縮され、筒の中の圧力が高くなり、耐え切れなくなって紙玉Bが勢いよく飛び出したのです。 筒のA−B間の空気はバネと同じようになったのです。これは 空気バネ と呼ばれて、自動車などの乗り物 に使われることがあります。
自転車のタイヤに空気を入れる「空気入れ」が、空気が入る度に大きな力が必要になるのも、タイヤの中の空気の圧力が増すためで、 この場合はタイヤが空気バネになって、走行中に路面の凸凹から受ける衝撃を和らげています。
空気が圧縮されるのは、気体の空気は窒素分子や酸素分子の間が広いので外部から押されるとその間隔が狭くなるからです。このとき、熱を出します。

筒の中に空気の代わりに水を入れると、紙玉を筒の中に押し込むと直ぐに、筒の反対側Aの紙玉が力なく飛び出ます。これは、水は殆ど圧縮されないからです。
水が圧縮されないのは、液体の水分子の間は隙間が余り無いからです。水が凍った「氷」は水分子同士が強く結びついているので形を変えられない固体になっています。
空気の代わりに水を入れ、筒の端Aを完全に塞いで、小さな孔を開けると、この孔から勢いよく水が吹き出ます。 これは、小さな孔の部分にも他のところと同じだけの圧力が掛かっているからです。

空気と水のこのような性質を利用した、上図に示したそのままの手作り玩具があります。図Aの部分を紙球にして空気で飛ばせば紙球鉄砲、 図Aを塞いで小さな孔を開け、図Bの部分を布で作って空気の代わりに水を入れ、水を飛ばす水鉄砲です。

密閉した容器に入れた液体や気体の一部に圧力を加えると、全ての部分に同じだけの圧力が伝わります(パスカルの法則)






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