こどもの教育コミュの親子で考えよう。身近な？難問　疑問　素朴な質問

Hiro様の提案で新しくトピックスを立てることになりました。
タイトルは「親子で考えよう。身近な？難問　疑問　素朴な質問」です
よろしくお願いいたします。

ここのコミュニティの皆様は教育関係、大学の先生？の方もいらっしゃると思うので、是非ともご教授願います。

ＮＨＫの幼児向き番組や幼稚園の工作でも時々取り上げられる「がりがりクルクルプロペラ」ですが、

割り箸に溝を掘り先端に押しピンで紙で作ったプロペラを取り付け、割り箸で溝をごしごしこするとプロペラがクルクル回り出すというおもちゃなのですが、「子供になぜ回るの？」と聞かれると私は原理が上手く答えられませんでした。主人は子供に振動、周期、位相がね～というキーワードを使って説明していましたがその解説はいまいちでした。

とある番組ではこの質問に対して、実際に人がそれをもって示し横から見る単に上下にゴシゴシこすっているように見えるが見る位置によって実は大きく回転運動もしていてそれがプロペラに伝わって回ると説明をしていました。

ここで皆様に質問です。

この原理について
（1）小学生高学年～中学生向けの解説

（2）高校生～大学入試レベル向けの解説

（3）大学生レベルの解説

をしていただけないでしょうか？

そしてこの原理を用いた自然界での例をあげる事。

（例えば・・・私が思いついたのは、微生物の鞭毛の回転運動かな？？？？）
また、原理ではなく原因の一つとしてですが、阪神大震災の時のマンション倒壊の例に上階居住者の体験談として、「地震時に「ドーン」と言う音と共に建物がグルグル廻りだし「ゴー」という音と共に建物が下に崩れ落ちた」というのがあります。）

どうぞご教授よろしくお願いいたします。期待しています（＾＾）

コメント(19)

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[1] mixiユーザー 03月29日 07:29

さんちゃんさんが言われている「振動、周期、位相がね～というキーワードを使った説明」はここにありますね。
http://www.chiyou-woodwork.com/denga2.html

そこから一部引用。

"こうした振動→回転変換の原理やメカニズムはいろいろ研究されています。
それらによりますと、
擦り棒で溝を擦ると、その先端のプロペラ軸で、直交する２つの方向の振動に位相差が生じ、そのリサージュ図形が楕円を描きます。この楕円回転により、プロペラが回ります。
これは高速度カメラやレーザー変位計による軌跡からも確認されています。"

[2] mixiユーザー 03月29日 07:34

（3）大学生レベルの解説
としては、
http://ci.nii.ac.jp/naid/110003188238
でしょうね。

[3] mixiユーザー 03月29日 07:36

[2] の文献からの引用。

"ぎりぎりがりがり"は、等間隔に溝の掘られた角棒の先端にプロペラが釘で取り付けられたおもちゃで、溝を駆動棒でこすることにより角棒を振動させ、角棒や駆動棒の握り方を工夫することで方向を制御しながらプロペラを回転させることができる。古くから存在が知られていたが、動作メカニズムは未だ明確にされていない。この動作メカニズムの実験的検討を行った結果、角棒先端の直交する2つの方向の振動の位相差のため、リサージュが楕円軌跡となりプロペラが回転すること、また、振動系は集中定数系で扱えることが分かった。さらに、シミュレーションにより、位相差を生じる2つの要因が明らかになった。

[4] mixiユーザー 03月29日 07:39

詳しく読みたい場合は、
http://ci.nii.ac.jp/els/110007460828.pdf?id=ART0009281931&type=pdf&lang=jp&host=cinii&order_no=&ppv_type=0&lang_sw=&no=1427582239&cp=

[5] mixiユーザー 03月29日 07:45

鞭毛運動は、ウィキペディアによると
正弦波様の波が鞭毛の基部から先端に向かう運動。波の頻度は数Hz～数百Hz。水泳で言えばドルフィンキックのようなイメージである。
となっていますから、別の原理というべきでしょうね。

出典: http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9E%AD%E6%AF%9B#.E5.8B.95.E4.BD.9C.E5.8E.9F.E7.90.86

[6] mixiユーザー 03月29日 07:55

（3）大学生レベルの解説
は、コメント番号[4]の文献を読解してもらうことでよさそうですね。

（2）高校生～大学入試レベル向けの解説
については、コメント番号[1]の文献に書かれている説明の「位相差が生じ、そのリサージュ図形が楕円を描きます。この楕円回転により、プロペラが回ります。」のところを、もうちょっとだけ丁寧に説明することになりますかね。

例えば、
　位相差から、どうしてリサージュ図形が楕円になるのか
　楕円回転によって、どうしてプロペラが回るのか
あたりを理解するのに必要な基礎を学んでもらうための説明をするとか。

このあたりは、高校生と普段からつきあっておられる方にお任せしたいと思います（笑）。

[7] mixiユーザー 03月29日 07:59

（1）小学生高学年～中学生向けの解説
の手掛かりになりそうなものも見つかりました。
これです。
先の論文と同じ研究室のものですね。

http://asj-edcom.acoustics.jp/museum/science/girigari.pdf

[8] mixiユーザー 03月29日 07:59

つづき

[10] mixiユーザー 03月29日 09:22

ありがとうございます。
バクテリア鞭毛モーターの解説は此処にもありました。
日本生物物理学会
http://www.biophys.jp/highschool/A-13.html

その中に出てくる「鞭毛は細長いらせん状繊維で、分子プロペラとして機能します。」
その「分子プロペラ」を検索すると色々と興味深い内容が出てきます。
三枚羽根分子・トリプチセンの世界
http://www.org-chem.org/yuuki/iptycene/iptycene.html

[11] mixiユーザー 03月29日 10:37

前出の阪神大震災のマンション倒壊については、
書籍　月刊リフォーム　新日本建築家協会による現地調査報告
被災した集合住宅（壊れたマンション、壊れなかったマンション）によります。

以下引用

データー

＊建物状況

コ型配置・市街地型マンション　西宮市津門大塚町
用途：店舗+事務所+集合住宅
構造：ＳＲＣラーメン構造　　　

ラーメン：ドイツ語で『額縁』の意。建築・土木構造の分野では柱が梁と剛接合している構造をラーメン構造という。

階数：10階建て
年代：第１世代（～1970年）？
形態：コ型

＊被害状況

3階事務所部分圧壊（4～10階は外観的には無事）
活断層方向：直角・平行
応急危険度判定　危険　3階部分倒壊（圧壊）

この建物は1階が店舗、2.3階が事務所（3階一部は住居）4階から上は住居
3階の事務所の部分だけが圧壊、上階の居住層がなだれ落ちる倒壊パターン。（だるま落としのよう）
7階の居住者の話では、「ドーン」という音がして建物全体がグルグル廻りだし、「ゴー」という音共に建物が
下に落ちたという。これだけの甚大な被害でありながら、負傷者は無事救出され、死者は出なかった。
圧壊しながらもある程度の空間は残した崩れ型が、多くの死傷者を出した木造住宅と対照的。
（その時間帯は事務所は無人だったのも幸い）

＊南東側からの観察
3階の事務所部分が圧壊
隣接している木造2階建て店舗は殆ど被害を受けていない。

＊東側からの観察
3階部分の事務所のある部分から圧壊始まっている。事務所の部分で柱間に耐力壁がなくなっている事がこの部分的な圧壊の要因と考えられる。

＊3階屋根上中庭からの観察
コの字型をした建物自体が構造的に一体化であったために一部の圧壊がそれ以外の範囲まで被害を大きくしている。また構造的に建物が切り離されていなかったために地震による揺れを建物自体が増幅してしまい、もっとも弱かった部分で破壊がおきたとも考えられる。エキスパンションジョイントで建物を切っておれば、圧壊にいたらなかった可能性もある。

＊圧壊柱ディテール（詳細）
主筋は溶接部分で破断しラチス鉄骨は鉄くずのようにつぶれ、コンクリートの塊は散乱している。

ラチス鉄骨
柱や梁などの間にジグザグ状に渡された補強材のことを、ラチスという。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　引用　続きます

[12] mixiユーザー 03月29日 12:34

＊3階屋上中庭から東棟の観察
中庭部分の圧壊はなかったので、右手建物部分は1層下に潜り込んだことになる。

＊3階屋上中庭より南棟の観察
中央に据えられていた鉄骨避難階段は、住棟の圧壊沈下でもぎ取られて倒壊

＊住居部分共用廊下の観察
柱・梁とも帯筋のピッチは、旧耐震の構造設計であり、この4階部分ではラチス鉄骨柱もない

耐震基準　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%80%90%E9%9C%87%E5%9F%BA%E6%BA%96

建物屈曲部で特にねじれの力が働いているのがわかる。死者0が奇跡的な惨状である。

＊西側からの観察
雁行した建物の南側は事務所、店舗で3階で圧壊している。北側は住居となっており、住居の方は3階で圧壊していない。

以上引用終わり

注：これは阪神大震災後1995年4月の書籍資料です
また写真を載せられなくて、わかりにくく申しわけございませんでした。

[13] mixiユーザー 03月29日 14:09

小話

昔TRONプロジェクトというのがありましてその第一人者で電脳建築家を名乗っていました坂村健氏のコラムを建築関係の書籍で見かけたことがあるのですが、
その中で坂村健氏は
「私は一時期、建築構造計算の解析プログラムの構築に関わっていたので構造力学については勉強したのですよ。」と言うのがありました。

なるほど・・・電脳建築家にふさわしい。

[14] mixiユーザー 03月31日 00:49

震災当時、建築構造（計算）設計の方が現地に行かれて建物の診断をしたのですが、
その方は、
自然とは数学・物理法則であると強く感じ畏敬の念を覚えたそうです。

「しばしば自然＝数学・物理法則は隠されたことを暴き・さらけ出し・真実を顕わにする！！」
「日本に生まれ落ちた以上それら数学・物理法則から逃げることは出来ない。・・・・・宿命だね。」と・・・。

[15] mixiユーザー 04月01日 17:48

坂村さんが言われていたのは
コンピュータ・アーキテクチャという英語を電脳建築学と訳すのがいい
ということだったと思います。
http://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320022331

[16] mixiユーザー 04月01日 17:51

>>[10]

[7]番と[8]番のコメントで紹介した資料の説明は、いかがでしたか?
御期待に沿うようなものだったでしょうか?

[17] mixiユーザー 04月01日 17:58

棒が円運動するとペラが回る理由は、たぶんフラフープから類推できるのではないでしょうか?
http://www.bsddiary.net/d/20110517.html
フラフープの力学(って程でもない)!! の巻

[18] mixiユーザー 04月01日 18:00

フラフープの話でも「位相」という用語が出てきますね（笑）。

回し続けるためには、フープの重心の回転に対して、同じ周期で若干位相を早く腰を回転させる必要がある。

[19] mixiユーザー 04月03日 01:19

>>[16]
そうそうこのような解説がわかりやすいですね。

>>[17] [18]Hiroさん

回転　ねじり？ひねり繋がりで・・・・（＾＾）
以前私が取り上げた「ネコひねり」（キャット空中大回転？古い・・）ですがこのような記述がありました。

「猫ひねり動作の解明とロボットによる猫ひねりの実現」
http://rraj.rsj-web.org/atcl/442
「猫ひねり」動作には物理の教科書や科学読み物などにもその記述がみられるが，その動作の説明には諸説があり，実際の現象と矛盾するもの，科学的根拠に乏しいものもあった。本研究では猫ひねり運動が角運動量保存の法則によって記述される（非ホロノミックな拘束がある）こと，それが実際の猫ひねり運動をよく表していることを明らかにした。それまで猫ひねりは猫が空中で体を（ツイストドーナツのように）ねじることによって行われていると広く信じられてきたが，この研究により，猫はねじるのではなく，空中でフラフープでもするかのように腰を回転させること（腰振り運動）と背骨の曲げによって猫ひねりを行っていることを解明した。（無重力状態ではネコはネコひねりはできなかったですね・・・。）