大阪市立科学館研究報告 15,189-195(2005)

サイエンスショー「風のうらわざ」実施報告
斎藤吉彦
大阪市立科学館
概要
2004 年 12 月〜2005 年２月に実施したサイエンスショー「風のうらわざ」について報告する。風には風下へ物を吹き飛ばしたり押したりする作用以外に、強い方へ吸い込む力（ベルヌーイの定理）のあることを、様々な現象で紹介した。驚き→疑問→探索→法則の発見・理解→応用という展開を試みた。

１．はじめにの改良を加えた。

風は、風下へ物を吹き飛ばしたり押したりする① 口頭だけで解説していたものを、実際の現象を以外に、図１のように風が分布していると、強い加えて解説する。

方向へ引き込む（以下本稿では、この作用を「風② 小さな現象だったものを大きくする。のうらわざ」と記す）こともする。

本稿では、2 章で演示内容を、3 章で各演示実験のノウハウを、4 章で実施した感想などを述べる。

２．演示内容２−１．導入見学者の意識を風に集中させ、常識（風はものを吹き飛ばす）を喚起する。
２−１−１．業務用ブロワーによる強風
吹流しで強風を可視化したり、扇風機に強風を当て、プロペラを回転させたりし、「吹き飛ばす」
図 1．風のうらわざという現象を見る。

「風のうらわざ」はベルヌーイの定理で理解で２−２．非常識な現象

きる*が、学校で習うことはなく、ほとんど知られ「吹き飛ばす」という常識では、とても想像でていない。常識に反する現象で意外性があるので、きない現象を見せ、思考の欲求を促す。

今回のサイエンスショーのテーマとした 1994 年

２−２−１．風船のダンス３

１と 1998 年２にも、この作用をテーマとしたサイエ

扇風機による上向きの風で、風船は吹き飛ばされンスショーを実施した。今回は 1994 年のものに次ず、風の中央部でおもしろい動きをする。意外と思わせる。

*ベルヌーイの定理は完全流体定常流の一流管内における保存則で、非圧縮の場合

ｐ+ρｖ２／２＝const.と表される。ここでｐ，ρ，v はそれぞれ、流体の圧力、密度、速度。したがって、流れの速いところは圧力が小さく、逆に流れの遅いところは圧力が大きい。図１はこの圧力差による力を表現したものである。

図２．風船のダンス
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２−２−２．風でビーチボールを捕まえる① ビーチボールをブロワーの風で鉛直方向に浮かせる。「風が押し上げているから、ビーチボールは浮いている。」と推論させる。
② ブロワーを徐々に倒す。斜め方向に風が吹いていても、ビーチボールは落ちないことを確認する。
図５．板から吹き出る強風は、板を吸い付けるかのように持ち上げる。
２−３．法則自然法則として「風のうらわざ」の紹介する。
２−３−１．「風のうらわざ」①

紙風船を送風機で浮かせる。風向はできるだ
け水平成分を持つように調整する。

図３．傾けたブロワーの風で、ビーチボールを捕まえ②

吹流しで風の強いところと弱いところとを観る。

察し、紙風船の上部が強く、下部が弱いこと

２−２−３．コーンから吹き出る強風を発見させる。

① ブロワーにコーンを取り付ける。

③「風のうらわざ」を納得させる。

② 強風に逆らってビーチボールをコーンに投げ入れると、強風を噴出すコーンに、ビーチボールがあたかも吸い付くかのようにくっつく。
③ コーンを下に向けて揺すってもビーチボールは落ちない。

図６．風の強弱を吹流しで観察する。紙風船の上部は強く(上)下部は弱い(下)が分かる。
２−４．演繹
自然法則「風のうらわざ」から現象を予測する。
２−４−１．パイプ内を昇る紙風船
図４．強風の吹き出るコーンに向かってビーチボール① アクリルパイプに数個の紙風船を入れる。

を投げ入れると、ビーチボールがコーンに「吸い付く」② パイプの上部に風を当てると紙風船は浮き上

２−２−４．板から吹き出る強風がり、外へ飛び出す。

① ブロワーの噴出し口を板の中央部に取り付ける。
② 板の中央から吹き出る強風はあたかも吸い付けるかのように、板を持ち上げる

図７．パイプの上部で風が吹く風船が浮き上がる。
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２−４−２．掃除機？

より強くなる。

① 紙くずの上にアクリルパイプを置く。
② アクリルパイプの上部に風を送ると、紙くずが吸い上げられ、強風で吹き飛ばされる。

図１０．扇風機の風で翼の模型が浮き上がる
２−５−３．ブーメランへの導入、ヘリコプターのプロペラ① 短冊状に切り出した白表紙 2 枚で、ヘリコプタ

図８．「風のうらわざ」を利用した掃除機（？）
２−５．既知の現象

ーのプロペラ模型を作る。このとき、２−５−２

見学者の知っている現象で、「風のうらわざ」で浮き上がっている翼モデルを見せながら、どに起因するものを紹介する。のように白表紙の曲げると浮くかを説明する。

２−５−１．変化球（マグヌス効果）（３−６参照）① ビーチボールで実際に変化球を見せる。これが② ヘリコプターのように飛ぶことを確認する。

「風のうらわざ」と強調する。

２−５−４．ブーメラン② ペットボトルを回転させる装置 を力学台車に２−５−３で作ったヘリコプターのプロペラが、４乗せ、風向と垂直の方向に動くことを観察する。

ブーメランになることを見せる。会場内で投げて、驚かせる。

３．ノウハウ３−１．扇風機による上向きの風と風船①

スライダックによる電圧制御で風量を微調整する。

②

風船が小さいと短時間で落ちる。風船は風の分布範囲に応じた大きさが必要。

３−２．ブロワー
強風を得るためマキタ UB61(1050w)を使用

図 9．回転体に風を当てると、力学台車は風向と垂直①の向きに動く。（マグヌス効果）

３−３．パイプ内の紙風船③ 回転体の周りでの風の強弱を推論し、「風のう①らわざ」がどのように作用しているかを考え、現象を理解する。

アクリルパイプは 220φ×1400 のものを使用した。

②

２−５−２．飛行機の翼５紙風船はできるだけパイプ径に近いものがよい。小さい紙風船は浮かない。

① 飛行機の翼は下が平らで上が丸くなっている③

ことを説明する。

パイプの下部を床から１０ｃｍ以上離す。空気の出入りを自由にしないと、紙風船は浮き② 翼の模型に風が当たると浮き上がる現象を観上がらない。

察する。

３−４．変化球③ 現象から次のことを推論する。すなわち、翼の①形状により、風の分布は、翼の上部の方が下部

ペットボトル回転装置の仕様。駆動装置にマブチモータ、電源に単三電池２個直列を使用。

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マブチモータを半固定し（下記③）、ペットボトルを吊り下げる。

図１３．翼モデルの形状
図１１．マブチモータとペットボトルの接続②

ペットボトルの底面中央に 10φ程度の穴をあけ、台に固定した竹ひごをその穴に入れる。

図１４．摩擦の軽減
３−６．ブーメラン

図１２．ペットボトル底部の制御③①

高速回転による回転ぶれの防止。マブチモー

作り方

タを固定すると、遠心力により、ペットボトルの回転姿勢を保てない。マブチモータにかなり大きな遊びを持たせると、マブチモータ
ーがペットボトルのブレを吸収し、安定した回転が得られる。マブチモータを吊り下げるのが理想的。
３−５．飛行機の翼のモデル①

軽量化のために、底面に発泡スチロール板、上部に画用紙を使用。鉄筋で翼モデルの運動
図１５．ブーメランの作り方を鉛直方向に制御する。
②③

翼上面の頂点は中央部にすると浮き上がらな短冊状に切り取った白表紙 2 枚をホッチキスで貼りかった。風上の方に与える方に頂点を与える付け、羽の先を全て曲げる。ヘリコプターはこれだけでと浮き上がった。

よい。ブーメランにするには、さらに、少しだけ羽を反ら翼モデルにストローを取り付け、鉄筋との摩せる。これをしないと、途中で落ちてしまって、帰ってこ擦を軽減する。

ない。
②

投げ方
人差し指と親指ではさみ、鉛直面内に立てて、スナップを効かせて投げる。ブーメランを水平にして投げると、上昇し返ってこない。
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４．まとめ①は間違いである。同時再開を説明する論理はな

４−１．子どもの常識についてい。じっさい、同時再会しないことが知られてい当初、「風が物体を捕まえる。」という現象はる６。②を納得させるのに、ホースの先を絞って散見学者の好奇心を喚起すると想定していた。大人水する例が出されるが、翼の上下には境界がないは驚きを持ってこの現象を観察したが、子どものので納得できないし、流線を天下り的にイメージ反応が芳しくなく、かなり苦慮した。風に吹き飛させている。また、空気が翼に衝突し、遅くなる

ばされない現象を見てみても、不思議に思わない。という推論を否定できない。したがって、翼の上素直に受け入れるのである。子どもにとって、「風下の流速差から揚力を説明することはできない。

はものを吹き飛ばす。」ということは常識として（２）流体の空気の運動変化による反作用定着していない、「風が物体を捕まえる。」とい①

翼の後方で流れが下向きとなるうのは非常識ではないと考えた。そこで、この常②翼に沿った円運動を与える向心力

識を各演示で強調し、子どもに常識を与えること①と同じ推論を翼の前方の流れに適用すると、揚を心がけた。このことで、「なぜ、風がものを捕力と逆向きの力が生じるので、①は説明になってまえるのか？」という疑問を抱かせることができ、ない。②も同様で、翼の前方と後方では逆向きの科学的思考ができるようになったと思う。このこ向心力が必要で、この向心力に対する反作用の議とによって、今回のサイエンスショーでは、驚き論がない。納得できる説明になっていない。

→疑問→探索→法則の発見・理解→応用、という（３）クッタ・ジュウコフスキーの定理「翼の揚力を理解するには、ベルヌーイの定理展開が可能となった。常識を与えなければ、科学的思考に導くことはほとんど不可能と考える。

では説明できない。クッタ・ジュウコフスキーの４−２．翼の原理について定理が必要」と解説されることがある。これは論理破綻した解説である。クッタ・ジュウコフスキ

翼の揚力発生機構の定性的説明について、様々*なところで論じられている 。しかし、見学者の疑ーの定理は、問に十分応える定性的説明は見当たらない。間違揚力＝ρUΓ

った説明も存する。したがって、本サイエンスシ

ρ：流体の密度、U：流体の速度、Γ：翼の周り

ョーでは、見学者が、翼が上昇する現象を観察すの循環）というものであるが、その導出はベルヌ

ることで、翼の上下で流速差が生じていることをーイの定理を使って、圧力を翼の周りに線積分し理解できればよし、とした。て揚力を求めるものである。７。つまり、クッタ・ジュウコフスキーの定理を知らなくても、ベルヌ

以下に、よく知られた定性的説明について著者の考えを記す。

ーイの定理で揚力を計算することができるのであ（１）翼の上下の流速差る。じっさい、循環があれば、上下の速度差が簡翼の上下で流速差が生じることから揚力が説明さ単に理解できるので、ベルヌーイの定理で揚力がれることがある。流速差の発生に関しては、次の生じることがすぐに分かる。

２つの説明がある。

（４）なぜ止まっていた飛行機が浮き上がるの①か？

翼の上と下に分かれた空気が翼の後方で同時完全流体は渦の生成消滅をおこさない。止まっ再会。上部の方の経路が長いので、上部の方②が速くなる。ていた飛行機の周りには渦はないので、それが滑翼の上の方の流管が狭まっている。それで上走しても渦ができず、飛行機の周りに循環はできの方が速くなる。

ない。循環がないと揚力を得られない。したがって、完全流体中の飛行機は飛び上がれない*。じっ*例えば、インターネット検索で「揚力 ベルヌー
* （１）（２）は揚力の生じている場合で、定常状イ」と入力すれば、多くの記事がヒットする。
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さいの空気は粘性がある。これにより、循環が生じる。その様は次のように説明される。静止していた翼が動き出すと、粘性により翼に接して転がるように小さな渦が翼の上下で生じる。そして、翼の下部の渦が剥離する。角運動量の保存則から、翼の周りに循環の生じることが分かる。
ただし、翼の下部の渦が剥離することは、数値シミュレーションによる知見で、定性的な理解することは不可能であろう。
４−３．展示化図１７．風船と戯れる小学生。右が「シュート」。ふわふわと風船が浮き上がることが楽しいようである。

謝辞
同僚の皆様には、有意義な助言を多くいただいた。また、サイエンスショー研究会に参加いただいたみなさまからも貴重な意見を頂いた。ここに謝意を表します。アクセスの早野治朗氏には装置の製作に協力いただいた。特に、翼モデルは当初、著者の思惑通りに機能しなかった。早野氏には試行錯誤をしていただき、サイエンスショーで使用できるまでに作り上げていただいた。さらに、演示実験の展示化においても、様々な工夫をしていただいた。ここに謝意を表します。
図１６．展示化した装置

参考文献

今回の演示から２−２−１風船のダンスと２−

斎藤吉彦：大阪市立科学館研究報告 5, 69 (1995)

１

４−１パイプ内を昇る紙風船とを展示化し、既設

川上新吾：大阪市立科学館研究報告 9,101(1999)

２

展示「シュート」**の関連展示として設置した。こ伍井一夫：「楽しい風船の科学」新生出版

３

れで、ベルヌーイの定理を説明しやすくなった。

村田賢治：http://physics.atnifty.com/pdf/

４

しかし、これらの装置による現象を自ずから不思

001005. pdf

議と感じる見学者は少ない。ほとんどの小学生は

渡辺儀輝: http://www.infosnow.ne.jp/~w_teru

５

風船と戯れるだけである。装置を並べるだけでは/lets /lets133.htm

意図を伝えるのは困難で、サイエンスショーのよhttp://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

６

うな効果はない。グラフィックなどで補強する必J. S. Denker: “See How It Flies”

要がある。

http://www.idra.unige.it/~irro/lecture_e.html
態についての議論である。（４）の場合は、渦の宮島龍興：「力学Ⅱ」朝倉書店

７

変化を議論する非定常状態の議論である。両者を混乱させた議論が多い。
**

２−２−２「風でビーチボールを捕まえる」を体験する展示装置
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