dynamics  第9回 サラダオイルの中を落ちる水滴

【掲載】1996.10  【単元】運動方程式  【種別】演示実験  【対象】高校1年  【実施】1996.10

  1.  目 的

      速度に比例する粘性抵抗を受ける物体が、等速で落下することを理解する。

  2.  準 備

      キップの装置用ガラスの筒、サラダオイル、ビュレット、ビュレット台、ショ糖飽和溶液、メチレンブルー

  3.  方 法

    1.  ガラスの筒にサラダオイルを入れる。
    2.  ショ糖飽和溶液にメチレンブルーを入れて着色する。
    3.  ショ糖飽和溶液をビュレットに入れ、ビュレット台に固定して、サラダオイルに摘下する。

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      (写真をクリックすると拡大されます)

  4.  結 果

     液滴は、サラダオイルの粘性抵抗を受けて、一定の速さで落下します。重力だけの作用なら等加速度運動するはずですが、粘性抵抗が重力を打ち消してしまって、加速しない状態で落下します。
     等速で落ちていることは、液滴の間隔が等間隔であることからわかります。

  5.  この実験について

     液滴としてショ糖飽和溶液を用いるのは、水滴では落下速度が遅すぎておもしろくないからです。適当に比重を大きくして、鑑賞するのにちょうどいい速さのものを選びました。
     メチレンブルーで着色したのは、見て美しいからです。それ以上の意味はありません。夏向きの、涼しげな色で気に入っています。

     計算すれば、終端速度は液滴とサラダオイルの密度差と半径の2乗に比例し、サラダオイルの粘度(粘性係数)に反比例することがわかります。この実験でも、ビュレットのコックを開けたり閉めたりして、いろんな大きさの液滴を作ってやると、大きくて重い液滴ほど速く落ちていくことがわかります。

     やはり「重いものほど速く落ちる」のです!

     だからといって、ガリレオがピサの斜塔で行ったと伝えられる実験が間違っているわけではありません。粘性抵抗がほとんど無視できる状況と、非常に顕著に働く状況では、結果に違いが出て当然です。
     我々は自然を見るときに、複雑な自然を100%複雑なままで扱うことはとてもできません。ボールの運動一つ扱うのに、10の25乗もの分子の動きから解き起こすのはとてもできない。そのような取り扱いはナンセンスといってもいいです。どこかで、単純化をはからなければ自然は扱えないし、単純化をはかることでより見通しがよくなります。その意味で、ピサの斜塔の実験も、粘性抵抗の実験も、どちらも各々の状況において正しいといっていいのです。

  6.  謝辞

     本実験は、四天王寺高校の故松山安重先生、稲葉良一先生、佐藤雅代さんに教えていただきました。ありがとうございました。


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