理科

ふりこの1往復おうふくは、なぜ「長ながさ」だけで決きまる? — 重おもくしても速はやくならない理由りゆう

公園こうえんのブランコを思おもい出だしてください。大人おとなが乗のっても子こどもが乗のっても、ひと揺ゆれにかかる時間じかんはだいたい同おなじです。重おもい人ひとが乗のったら、勢いきおいがついて速はやく揺ゆれそうなのに——そうはなりません。

ひもにおもりをつるして揺ゆらしたものをふりこといいます。ブランコもふりこの仲間なかまです。そしてふりこには、不思議ふしぎなほどきれいなルールがあります。1往復おうふくにかかる時間じかんは、ふりこの長ながさだけで決きまる。重おもさを変かえても、ふれはばを変かえても、変かわらないのです。

ふりこで変かえられるものは、3つ

ふりこの各部の名前。長さは支点からおもりのまん中までを指すことを示した図

ふりこの実験じっけんで変かえられるものは3つあります。おもりの重おもさ、ふれはば(どこまで持もち上あげて放はなすか)、そしてふりこの長ながさです。

ここで注意ちゅういがひとつ。長ながさは、ひもの長ながさではなく、支点してんからおもりのまん中なかまでの長ながさです。同おなじひもでも、大おおきなおもりをつけると、まん中なかが下さがる分ぶん、ふりこは長ながくなります。

実験じっけんのコツは、変かえるものを1つだけにすること。重おもさと長ながさを同時どうじに変かえてしまったら、どちらが効きいたのか分わからなくなります。1つずつ変かえて、ほかはそろえる——これは、ふりこに限かぎらず理科りかの実験じっけんぜんぶで使つかう考かんがえ方かたです。

重おもさを変かえても、変かわらない

まず意外いがいなほうから。おもりを2倍ばい、3倍ばいに重おもくしても、1往復おうふくの時間じかんはまったく変かわりません。

理由りゆうはこうです。重おもいおもりは、たしかに強つよい力ちからで下したへ引ひっぱられます。でも同時どうじに、重おもいものは動うごかしにくい。引ひっぱる力ちからが2倍ばいになっても、動うごかしにくさも2倍ばいになるので、ちょうど打うち消けし合あってしまうのです。

これは「重おもいものも軽かるいものも、落おとすと同おなじ速はやさで落おちる」という話はなしと同おなじです。昔むかしガリレオという科学者かがくしゃが確たしかめたことで知しられています。ふりこは「斜ななめに落おちて、斜ななめに上のぼる」運動うんどうなので、同おなじことが起おきます。

ふれはばを変かえても、変かわらない

大おおきく持もち上あげて放はなすと、おもりは長ながい道みちのりを通とおります。時間じかんがかかりそうですが——これも変かわりません。

大おおきく持もち上あげるほど、おもりは高たかいところから落おちはじめるので、その分ぶん速はやく走はしるからです。道みちのりが長ながくなった分ぶんと、速はやくなった分ぶんが、ちょうどつり合あいます。

(正直しょうじきに言いうと、ふれはばをうんと大おおきくすると、1往復おうふくはほんの少すこしだけ長ながくなることが知しられています。ただ、学校がっこうの実験じっけんくらいのふれはばでは、気きづかないほど小ちいさな差さです。)

長ながさを変かえると、変かわる

残のこるは長ながさ。これだけが効ききます。長ながいふりこはゆっくり、短みじかいふりこは速はやく揺ゆれます。しかも、その変かわり方かたにはきれいな決きまりがあって、長ながさを4倍ばいにすると、1往復おうふくはちょうど2倍ばいになります。

身みのまわりにも、このルールは生いきています。ブランコは、すわって乗のるより立たって乗のるほうが、ひと揺ゆれが少すこし速はやくなります。立たつと体からだのまん中なかが上あがって、ふりこが短みじかくなるからです。音楽おんがくで使つかうメトロノームは、さかさまのふりこ。棒ぼうについたおもりを上うえへずらすと、支点してんからおもりまでが長ながくなるので、テンポはゆっくりになります。昔むかしのふりこ時計どけいは、この「長ながさで時間じかんが決きまる」性質せいしつを利用りようして時ときを刻きざんでいました。

比くらべて確たしかめてみよう

2つのふりこを並ならべました。ボタンで変かえるものを1つえらんで、つまみで右みぎのふりこだけを変かえられます。下したの数字すうじは、それぞれの1往復おうふくの時間じかんです。

重おもさとふれはばでは、2つの揺ゆれがいつまでもぴったりそろったまま。長ながさを変かえたときだけ、揺ゆれがずれていきます。長ながさを4倍ばい(つまみを右みぎいっぱい)にすると、数字すうじがちょうど2倍ばいになることも確たしかめてみてください。

覚おぼえ方かた — 「ふりこは長ながさがすべて」

ふりこの問題もんだいで迷まよったら、この1行ぎょうだけ思おもい出だしてください。

「重おもくしたら速はやくなりそう」という直感ちょっかんは、だれもが持もっています。でも引ひっぱる力ちからと動うごかしにくさが打うち消けし合あう——それを知しっていれば、ひっかけの選択肢せんたくしにはもう迷まよいません。

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