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風やゴムのはたらき

まずは見てみよう!

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どんな実験?

実験手順と種あかし

  • 小学校3年の理科で学習する「風やゴムのはたらき」について実験してみましょう。
  • ゴムは強く引っぱると長く伸び、弱く引っぱると少ししか伸びません。引っぱる力を大きくするほど長く伸びます。また、伸びたゴムはもとにもどろうとします。これを使うとものを動かすことができます。
  • 模型自動車にゴムひもを付けて引っぱって手を離すと、ゴムがもとにもどろうとして車が走ります。
  • 風はものに力をはたらかせたり、ものを動かしたりすることができます。ゴムひもで結ばれた模型自動車に発泡スチロールの四角い棒を取り付けます。これに風を当てて風の力の実験をします。ゴムひもは細くて長いほうが長く伸びて変化がわかりやすくなります。今回は、模型飛行機のゴムひもで、太さ1mmくらい、長さ80cmくらいのものを使います。
  • 弱い風(弱風)のとき、ゴムの伸びは23cmくらいです。強い風(強風)のとき、33cmくらいです。風が強いほどものにはたらく力が大きくなることがわかります。
  • このように風がものを後ろのほうに押す力を「空気抵抗」といいます。ものが空気中を動くときも同じように空気抵抗がはたらきます。
  • 一般に、風がものに当たると前側では圧力が大きく、後ろ側では渦ができて圧力が小さくなります。前後の圧力の差によってものを後ろに押す力(空気抵抗)がはたらきます。後ろ側で渦ができる現象を「はく離」といい、空気抵抗が発生する最も大きな原因になっています。
  • 水の流れでもものを後ろに押す力がはたらき、水の抵抗といわれています。
【発展】

風による力の大きさは、およそ風速の2乗に比例するという性質があります。風速を2倍にすると空気抵抗はおよそ4倍(22倍)、風速を3倍にすると空気抵抗はおよそ9倍(32倍)…になります。
一般に、空気抵抗や水の抵抗など、流れによる抵抗のことを「抗力」といい、次の式で表すことができます。
(抗力FD)=(抗力係数CD )×(流体の密度ρ)×(速さU )2×(前方投影面積S )÷2
ここで、抗力係数CDはおもに物体の形によって決まります。前方投影面積Sはその物体を前から見たときの図形の面積です。

【キーワード】 空気抵抗、抗力
【関連項目】 ヨットカー1(追い風)
【参考】 日本機械学会編「流れのふしぎ」講談社ブルーバックス、P148−155.
石綿良三「図解雑学流体力学」ナツメ社、P54−55およびP58−63.
更新日:2018.4.1