五円玉のバンジージャンプ!
2006-11-23 18:17:49 (17 years ago)
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50cmほどの糸の端に五円玉を結びます。反対の端にゼムクリップをつけます。ゼムクリップを持ち、糸をボールペンの軸にひっかけて五円玉を吊るします。
さて、手を離すとどうなるでしょう?
当然五円玉の重みで下に落ちる、
と思いきや
ゼムクリップがくるくるっとボールペンの軸に巻きついて、五円玉は途中で止まるのです。
地上に激突するかと思われるバンジージャンプが寸前に止まるかのようです。
ゼムクリップと五円玉との角度を変えてみると、0度ではボールペン軸との摩擦があってずるずる?(もっと早いか)と落ちていき、180度だとなにもないのと同じで、すとんと落ちる。
ゼムクリップが振り子のように振れないと駄目なようですね。
角度が大きいと(ボールペンの軸よりちょっと上位だと)巻きつき速度が早く、角度が小さくなるにつれて巻きつき速度が遅くなるようです。
また、ボールペン軸の摩擦を大きくすると、糸は固定され、ゼムクリップ単体の振り子のように動き、巻きつきません。
どうしてこうなるの?
左図の下の丸が五円玉で五円玉に掛かる重力をaとします。上の丸はボールペンの軸です。斜めの右の小さな円がゼムクリップで、掛かる重力はbです。
右の位置が落下を始めた位置です。ここでの力のつりあいはaとbとの力が合成されてcとなります。
糸がボールペンの軸に固定されている場合が右の図です。bは左図と変わらないのですが、a=0ですので、張力(図示していない)との合成でcの力を受けることになります。
ここで左図のcのほうが右図のcよりも大きいことが判ります。
五円玉があることにより、ゼムクリップだけのときより回転力が増えるのです。そこで勢いよく回転し、巻きついてしまうのだと思われます。
ただ、最下点を過ぎたあとは逆の力を受けますね。本来ならこの力により振り子を戻す力になるはずですが、五円玉が落下しているため、振り子の長さが短くなっています。
振り子の周期Tは
Lは振り子の長さ、gは重力加速度
で表されます。
振り子の長さが短くなるにつれて振り子の周期も短くなるので、逆向きの力に打ち勝って巻きつくまでに至るのでしょうか。
ネットでいろいろ調べたのですが、この現象に対しての解説のようなものを見つけられませんでした。上の考え方正しいのだろうか?最下点を過ぎたところがイマイチ釈然としないのだが、「平成教育委員会風良く解る解説」をご存知の方お教えください。
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