Return Home 気象科学実験教室、一覧表 キッズの気象実験、一覧表 「気象実験クラブ」入会案内。気象実験(#40)
実験の様子を写真で紹介します。
Originated 2008-08/08 Last Updated 2008-08/30,09/30,10/24,11/10,12/03, 2009-2/08, 6/16, 2010-7/08
EXPM40 バケツを振り回す（ペットボトル＋紐＋水）、遠心力の実現 EXPM41 ヨーヨーを作る（コースター＋糸) 角運動量の保存 EXPM42 紙飛行機を作って飛ばす（紙＋ゼムピン） EXPM43 ワイングラスで音楽を（ワイングラス＋水） EXPM44 イルカの玉突き（洗濯バサミ＋ボトルのふた＋糸＋物差し＋鉄の玉＋ビニールチューブ）、自励振動＝周期的な外力 EXPM45 凍らない水を作る（氷＋塩＋容器＋試験管）、過冷却水 ●＝EXPM46 切っても切れない氷（氷＋糸）、融解と復氷を実現する EXPM47 グラスの結露（冷水＋コップ）、湿度とガラスコップの表面の露の観察、露点 EXPM48 気化熱（コップ＋脱脂綿＋水）、水の蒸発と水温低下の実験、空気の流れが必須＝発生した熱の除去と滞留防止＝地球温暖化 ●＝EXPM49 ダイヤモンドダスト（ペットボトル＋冷凍庫＋プチプチ） (関連実験●＝ 雪の結晶を作る（ペットボトル＋糸＋ドライアイスor氷＋水＋塩）） |
#403 実験装置の製作 and/or 準備
・ペットボトル、丈夫な紐、水
・大きいバケツを使って行うと、水をこぼす心配があるので、
２リットルのペットボトルの底部を切り取り、バケツの代用とします。
・そして、手に持てるように紐を通します。
#404 実験の実行と結果
・代用バケツに水を入れ頭上高く回転します。
・水は容器の底にへばりつき、こぼれません。
#405 実験を効果的に行うための工夫、注意点等
・丈夫な紐を使ってください。紐が切れると、全体が何処へとんで
行くか見当がつきませんので、要注意です。
・運動場や公園など、広い場所で実験してください。室内で行うには危険です。
・この実験を終了するとき、すなわちバケツの回転を終えるとき、回転速度が落ちてきます。
このとき、水がこぼれないように「手さぐりで」回転を「なだめ」ます。
（サイエンスかかわる実験での表現としては、いささか不適切かも知れませんが、数値では
表現しにくい慣れ・技巧が必要です。）
#406 実験の解説 and/or 関連実験
・冒頭の#400で書いた「水は当然のことながらこぼれてしまいます」、の状況においては
水には、地球の重力のみが鉛直下方に作用していました。しかし、どんな物体でも
回転状態になると、「遠心力」が加わります。この遠心力が重力よりも大きければ、
そして、紐が切れなければ、回転軸の方向にかかわらず、水はこぼれることはありません。
・遠心力＞重力の場合、回転する物体は回転中心から逃げて行こう（遠ざかろう）とします。
・回転スピードが遅くなると、遠心力＜重力となり、回転する物体全体が
円周軌道を保てなくなり、落下してきます。
・この実験において、物体にかかる力関係は、「重力と遠心力との合力の方向に物体は力を受ける」、
と表現してもよいでしょう。
#407 【追加実験、考察等】
・重力の方向を符号の＋（プラス）として座標軸の方向を設定して考えるとき、
「合力＝遠心力＋重力」となります。すなわち、バケツが円周の一番下に来た時、回している
手には最大の力がかかります。バケツが円周の頂上（すなわち、自分の頭上）に来た時、
手には最小の力がかかることとなります。
・注意して回していると、この状況を体感することができます。
・実験８３ 水平面とは何か を参照して下さい。
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#410 実験４１ ヨーヨーを作ります。いろんな遊び方がありますが、私には 「犬を散歩させる」のも難しいです。 この実験では、遊び方はさておき、サイエンスの観点から ヨーヨーの運動を観察してみます。 #411 実験タイトル＝ヨーヨーを作る #412 実験の狙い＝簡単な遊びの中に自然の働きの存在を体感する
コースター２枚で作ったヨーヨーです
|
・なお、ヨーヨーは、「コマ」と違って、糸が回転物体に縛り付けられていますが、
運動そのものは、両者とも大変似ていて、いろんな議論へ発展出来ます。
・気象の現象とヨーヨーの運動とどんな関係があるでしょうか。
相互の関係はありませんが、気象現象の渦（たとえば、高気圧や低気圧の渦）の回転とヨーヨーの回転は、
その根底に「角運動量保存の法則」という法則が存在していて、現象を説明する根拠になっています。
気象予報士の方々にはお馴染みの「渦位保存則」（絶対渦度＝（地球渦度＋相対渦度）/渦の高さ、が一定であること）
の理論は、この角運動量保存則を使って説明します。この証明は拙著天気図と気象理論、P.116 に掲載してあります。
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#420 実験４２ 薄い紙や新聞紙、広告の紙など任意の形、サイズで飛行機の主翼を 作ります。先端にゼムピン等の重りをつけて飛ばします。 何回か試行錯誤すると、遠くまで飛んでいきます。 #421 実験タイトル＝紙飛行機 #422 実験の狙い＝紙飛行機をよく飛ばす工夫をする
#423 実験装置の製作 and/or 準備
・ありあわせの紙、はさみ、ゼムピンを用意する。
・紙から翼を切り出す。
・翼中央部にゼムピンをつける。
#424 実験の実行と結果
・飛行機を飛ばす。
・真っ直ぐ飛んだり、回転したりする。
#425 実験を効果的に行うための工夫、注意点等
・翼の形、大きさ、曲げ方など様々作って飛ばします。
すぐ曲がってしまったり、ゆっくり長距離を飛行したり、様々です。
・試行錯誤を重ねると、どんな形の翼が自分の目的に
あったものかを見つけることになるでしょう。
#426 実験の解説 and/or 関連実験
・物体が空中を飛行したり、浮遊したりする条件は何か。教科書を見れば書いてあるでしょう。
（そうは言っても→吸いつくスプーンに関連記事を掲載しています。）
・その前に、まず、体感、実感してみましょう。
目的に向かって、何をどのようにすれ良いか、考え＆試行してみよう。
紙飛行機つくりは、工夫することを体験できる最もとっつき易い実験の一つです。
・本の中に書いてある理論は、ゲーテのファウストにある、
"Grau, teurer Freund, ist alle Theorie / Und gruen des Lebens goldner Baum."です。
灰色の理論を学ぶ前に、自然の生き生きとした、実の姿を見ることが大事です。
#427 【追加実験、考察等】
・最長不倒距離、最大滞空時間、回転回数、宙返りなどできるように、
様々な形状の翼を作り、飛ばします。飛行競技大会ができます。
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#430 実験４３ ワイングラスに水を入れ、グラスの縁をこすると音が出ます。 子供たちは皆んなワイングラス演奏家です。 小さな指からきれいな音が出てきます。 次に、ワイングラスに水を入れ、カードでふたをして逆さまにします。 さて、水がこぼれるかな？ 教室内には一瞬、緊張が。。。 この実験は、実験MO 表面張力と気圧の関係で行います。 #431 実験タイトル＝ワイングラスで音楽を #432 実験の狙い＝共振現象を体感する
ワイングラスの縁をこすると、きれいな音が生まれ出る |
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音の出具合：
◎=すぐに音が出てくる、○=少しの努力で音がでる、 ▲=努力するとわずかな音が出る、Ｘ=音なし
寸法は、グラスの最上端をノギスで計測した。 |
#440 実験４４ ブランコで遊ぶとき、背中を押してもらうと、高くまで到達します。 簡単なブランコを作って、背中を押す力の代わりに空気を送ります。 同じことですが、たまたま手に入れたイルカのおもちゃで同じことを実験してみます。 #441 実験タイトル＝イルカの玉突き #442 実験の狙い＝周期的な外力の働きを体感する
#443 実験装置の製作 and/or 準備
・洗濯バサミ、ボトルのふた、糸、物差し、鉄の玉、ビニールチューブ
・ペットボトルのふたを洗濯バサみではさみ、洗濯バサミに糸を通し、写真のように物差しにかけて吊るします。
・ボトルの蓋には鉄の玉を乗せます。
・以上でブランコの出来上がりです。
#444 実験の実行と結果
・ブランコに向かってビニールチュ−ブから空気（呼気）を送ります。
・間欠的、周期的に空気を送るとブランコの振幅が増大します。
#445 実験を効果的に行うための工夫、注意点等
・ブランコの振幅にあわせて空気を送ると、振幅が増幅されます。
・ブランコの振幅に合わないタイミングで空気を送ると、振幅は減少します。
#446 実験の解説 and/or 関連実験
・ブランコの振幅は、風がふきつける周期によって、振幅が増大したり、減衰したりします。
・橋や建物は、風から力を受けて振動します。これらの構築物の振幅が、風の波長に合うと振幅が増大し、
破壊することがあります。
・米国のタコマ橋の崩落は、風の影響による事故として関係者にはよく知られています。
#447 【追加実験、考察等】
・おもちゃのイルカで遊んでみます。
・指先で外力を与えるのがタイミング的に難しいので、ビニールチューブから空気を吹き付けます。
・振幅が増大すると、やがてイルカは、上空にある玉を突き始めます。
・実験Ｍ１の連成振子も同じ原理の実験です。
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#450 実験４５ 水は通常０°で凍りますが、マイナス４°になっても凍らない場合があります。 この凍らない水は「過冷却」の状態にあります。上昇気流により、断熱的にもちあげられた水蒸気は、 上空で過冷却状態の水滴となります。そういう水を、地上の自分の家で作って見ましょう。 過冷却水の作成と氷筍の形成 #451 実験タイトル＝凍らない水を作る #452 実験の狙い＝過冷却水を実際に作ってみる
#453 実験装置の製作 and/or 準備
・氷、塩、試験管、広口の容器、水、温度計2本、断熱材
#454 実験の実行と結果
・広口の容器に氷を入れ、塩を入れ、かきまぜる
・試験管に水をいれ、静かに【塩＋氷】の水の中につける。
・容器の中の【塩＋氷】の温度を監視する。
・温度がマイナス０°以下になったら、試験管を動かさずにさらに温度が低下するのを待つ。
・別途、もう一本の温度計で、試験管の中の水の温度を監視しておこう。
マイナス４〜５℃でもその水は凍っていません。
#455 実験を効果的に行うための工夫、注意点等
・実験の環境温度は低いほうが望ましいので、
広口容器全体を断熱材でかこんで実験するとよいでしょう。
・水は、凍ることなく０℃以下になると、非常に「不安定な」状態になり、
何らかの外的な刺激、振動によって動かされると一瞬のうちに水が氷結してしまいます。
・家庭用の冷凍庫でも過冷却水ができますが、見えないところで作られるので、いつ過冷却水が
できるのか見当がつきにくいです。この実験のような方法は、夏場でも、家庭の常温の環境下
で過冷却水を作ることができます。
#456 実験の解説 and/or 関連実験
・氷に塩をかけると、実験５０、氷に塩をかける で行ったように、氷が溶けていきます。
そして、その塩水の温度はどんどん低下していきます。凝固点降下と呼ばれる現象です。
・試験管の中の凍らない水は「過冷却水」と呼ばれます。
#457 【追加実験、考察等】
・空の上空では、この「過冷却水」が存在していて、雨粒となり易い、と言われています。
・詳しくは拙著「天気図と気象理論」のP.65（過冷却水滴と氷晶の共存状態における氷晶化促進の仕組み）を参照してください。
・実験Ｍ６、着氷現象、も参考にして下さい。
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#470 実験４７ 冷水を入れたグラスで結露の観察と露点温度の計測実験をおこないます。 室温、湿度、グラスの壁面温度、気圧を測定します。 また、露点温度にかかわる理論につき、若干の説明をおこないます。 #471 実験タイトル＝グラスの結露 #472 実験の狙い＝露点という温度を知る
#473 実験装置の製作 and/or 準備
・グラス、冷水、室内温度計、放射温度計、湿度計、気圧計を用意する。
#474 実験の実行と結果
・冷水をグラスに注ぐと、グラスの壁面に結露します。
室温、湿度、壁面温度、気圧は、下表のようになりました。
測定値 |
#477 【追加実験、考察等】
・グラスに温湯を入れた場合とグラスプに冷水を入れた場合とでは、
グラスの壁面のどちら側に結露するかを確認します。
（尚、壁を伝って落下する水滴が次第に大きくなることを観察する。
温湯の場合、グラスにふたをしたとき、グラスの内部が煙ったように見える。これは雲です。
ふたに付着した水滴を虫眼鏡で観察すると、微小な水滴が無数に見えます。）
参照→実験＃Ｍ８、天井の結露
・気象空間では、大気上昇→断熱膨張→温度低下、水蒸気が飽和し
（湿度100%となり）、凝結し、雲（霧、もやも含む）となる。
草木の葉っぱの上に露ができます。このほか、家屋における壁面
の結露や、車の窓ガラスが曇るのも同じ理屈です。
一方、露点温度を数表などから理論値として求めることができます。
この温度まで室温を低下すると、室内の湿度が１００％となり、壁面に結露を生じます。
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#480 実験４８ 水が気化（蒸発）するときの気化の効果を測定します。 #481 実験タイトル＝蒸発熱 #482 実験の狙い＝気化熱（蒸発熱）の効果を測定する
#483 実験装置の製作 and/or 準備
・コップ、水、脱脂綿、温度計（棒状温度計、放射温度計）
#484 実験の実行と結果
・コップに水をいれ放置します。
・コップの上部には脱脂綿を置き、水がすいあげられるようにします。
・このとき、水の温度、コップの壁面温度、脱脂綿の表面温度を計測します。
#485 実験を効果的に行うための工夫、注意点等
・脱脂綿で水の蒸発を促進させます。
#486 実験の解説 and/or 関連実験
・液体の水が、蒸発するとき蒸発のためには熱が必要となります。
・この熱は気化熱or蒸発熱と呼ばれ、水及び周囲の物から調達されます。
・このとき、熱を奪われた物は温度が低下します。
測定値（毎時） 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 水の温度 18.0 18.0 18.9 17.9 --- コップの壁面温度 18.3 16.8 12.5 16.3 --- 脱脂綿の表面温度 13.6 12.4 8.9 10.1 8.1 |
物質ごとの表面温度変化
| 土、板、レンガの表面温度を計測した |
#490 実験４９ 水や水蒸気が相変化するとさまざまな形となります。 雨粒、雨だれ、氷、雪、あられ、霜、ダイヤモンドダスト、つらら、氷柱等々。 実生活では、水道管の凍結、船体や航空機の着氷、送電線の着雪、凍上等の被害もあります。 この実験では、ダイヤモンドダストを作ります。そして、空気中で微小な氷（氷晶）が 過冷却水滴からできていく仕組みにも言及します。 #491 実験タイトル＝ダイヤモンドダストを作る #492 実験の狙い＝水と言う物質が温度条件によってさまざまな姿となることを確認する 写真は、実験場所の全景です（水滴噴射後の様子です）。 実験装置付近の気象条件は、気温６℃、湿度−−％、微風あり、でした。 霧吹きで水滴噴射後のペットボトル内部空気温度５℃、装置付近の湿度６８％（写真参照）
#493 実験装置の製作 and/or 準備
・ペットボトルを用意し、その底部を切り取ります。
・霧吹きも用意し、水を半分くらい入れます。
・やや大き目のダンボール箱（装置全体を収納＆直射風を避ける）
・デジタル温度計、湿度計
#494 実験の実行と結果
・冷凍庫へペットボトルおよび霧吹きを入れて、空気および水を冷却します。
・ペットボトル内部の空気は、２０分ほど経過すると−１８℃程度に低下します。
温度低下の様子は、0.6℃程度の温度幅で上下しつつ、漸減していきました。
ペットボトル内部には、空気の対流があったものと考えられます。
・霧吹きのタンク内の水温は、４０分ほど経過すると、零度以下になります。
零度以下になると、氷ができ始め、以降水と氷の共存状態のまま、温度低下が
ほとんど見られなくなり、７０分経過後であっても−０．４℃程度でした。
【冷凍庫内に入れたペットボトル内空気温度、霧吹きのタンク内水温の実測値】
(ペットボトルの大きさ＝１．５リットル、霧吹きのタンク直径4.5cm、水深6cm)
時間経過（分） 00 02 03 04 05 06 07 08 09 10 12 14 空気温度（℃） 20 10 03 -1 -5 -8 -9 -11 -12 -13 -14 -15 水の温度（℃） 17 15 15 14 13 12 11 10 |
同じ表現ですが、過冷却水滴（大きいマル）と氷晶☆の表面上の圧力傾度の存在
(Ｐi<ＰL)により低圧側にＨ2О粒子が移動します。その結果、低圧側の氷の表面
では過飽和状態となり、どんどん氷となります。
#497 【追加実験、考察等】
・蔵王の樹氷ができる原理を思い出してください。風が日本海の水蒸気を運んできて、
樹木に氷の結晶が成長します。
・過冷却水を凍らせるときにも、氷の結晶ができます。
・冬の寒い朝、息を吐き出すとき、白い息が出てきます。その時の気温にもよりますが、
微小水滴、或いはダイヤモンドダストのいずれかができたことになります。
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