 加熱時間が与える影響，◯
 与えたが与える影響(その 2)，◯

火力と加熱時間の関係，の計 5 つの実験を行いました．

～第 6 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

パイプを炙った結果，音が出ました～熱音響機関を身近に～千葉市立千葉高等学校

理数科 3 年(2022年 3 月卒業)

森本紗羽

 では，パイプの長さをそれぞれ300 mm，600 mm，900◯

mm に変えて対照実験を行い，網の位置は管における相対的な値を揃えるために，それぞれの1/4に固定しました．結果
は，300 mm では音が鳴らず共鳴が起こりませんでした．また，最も高いエネルギーが得られたのは600 mm のパイプで，900 mm のパイプの約 2 倍のエネルギーが得られました．
300 mm で音が鳴らなかったのは，音が出る理由と言われている「温度勾配」(3)がうまく作られなかったからだと考察しました．その原因は，パイプ内すべての空気が温まってしま
私は，新しいエネルギー変換の方法である熱音響機関の基うほど，パイプの長さが短かったことだと考えました．

礎研究をしています．熱音響機関とは，低温( 150 °C 程度と では，600 mm パイプを用いて，網の位置をパイプの端◯言われています)の熱からエネルギーを取り出すというものから 1 / 4 ， 1/ 8の場所に変えてそれぞれ対照実験を行いましです(1)．現在の火力発電では，多くの低温の廃熱を発生させた．結果は，網の位置が 1/ 8のときよりも 1 / 4 のときの方がています．この捨てられている熱からエネルギーを効率よエネルギーが大きくなりました．これは，ガスバーナーの炎く，音として取り出すことを目標に研究を進めています．の先端がちょうど網の位置に来るからだと考えました．炎は研究では，パイプ(ステンレス鋼製，外径38 mm，内径36

先端の方が中心よりも温度が高いため，炎の先端がちょうどmm ，長さ 300,600,900 mm の 3 種類)と金網(ステンレス鋼網の位置にあたる1/4のときの方が，効率よくエネルギーを製，線径 1.00 mm × 10メッシュ)で作ったレイケ管をガスバ吸収出来るのではないかと考察しました．

ーナーで炙るという実験を行っています．具体的な実験方法は以下の通りです．

 の結果から，◯
 の実験で600 mm のパイプが最もエネル◯ギーが得られた理由は炎の先端がちょうど網の位置に来るか

図のようにして鳴らした音をイージーセンスの音センサ

 では網のらではないかという仮説を立てました．そこで，◯ー(音の振幅の時間変化を測定・記録できる装置)で測定し，位置を炎の先端が当たる端から 15 mm の場所に揃えて実験エクセルで値を 2 乗・積分することで，得られた面積部分を行いました．しかし，結果は600 mm の方が大きかったたを結果としました．積分範囲は開始点(イージーセンスからめ，エネルギーが大きい理由は網の位置よりもパイプの長さ

Excel に出力した値が±10以上であり，その値が 3 つ連続しに依存していると考察しました．

たときの 1 つ目の値の秒数)から，終了点(記録終了から見 では，パイプの加熱時間を 5 秒と 10 秒にして対照実験◯て，出力した値が±10以上が出た値の秒数)と定めました．

を行った結果，僅差で 10 秒加熱したときの方が得られるエ

高校物理の範囲で音のエネルギーは，E＝2pmf 2A2( f は振動ネルギーが大きくなりました．しかし，2 倍の熱量を与えて数，A は振幅，m は音センサーに依存する定数)と表されるいるにも関わらず結果はあまり変わらないため，効率というので(2)，今回はこの面積を熱から音に変換されたエネルギー観点から，加熱時間は 5 秒で十分であると判断しました．の大きさを示すと仮定して実験を評価します．

結果があまり変わらない理由としては，長時間加熱すること

実験では，パイプの長さ，加熱時間，網の位置，網の枚数火力の強さなどの条件を変えて対照実験を行うことで，1 番で全体的に空気が温まってしまい，温度勾配がうまく作られなかったからだと考察しました．

効率よくエネルギーが得られる組み合わせを模索しました．

 では，次の 3 つの条件でそれぞれ実験を行いました．
◯予備実験より，重ねる網の枚数を 3 枚にすることで安定

条件 1高火力(3/4火力)×短時間加熱(3 秒)，条件 2低火して音がなることがわかったため，本実験で使う網の重ねる力( 1 / 4 火力)×長時間加熱( 7 秒)，条件 3 その中間の火力

枚数は 3 枚に固定しました．

(1/2火力)×その中間の加熱時間( 5 秒)．結果は，条件 3 で パイプの長さが本実験では，ステンレスパイプを用いて◯1 番大きいエネルギーが得られ，僅差で条件 1，大差をつけ

 網の位置が与える影響(その 1)，◯
 網の位置与える影響，◯て条件 2 が続きました(表)．このことから，長く弱い火力で加熱するより，短く強い火力で加熱する方がより多くのエネルギーが得られるということがわかりました．
これまでに分かった事をまとめます．まず，実験方法を明確にすることができました．内容としては実験装置の作製，実験条件の決定，解析方法の決定です．実験条件の決定では，予備実験より網の枚数 3 枚．本実験より網の位置1/4，図1

実験方法．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第 4 号(2022)
Materia Japan

パイプの長さ 600 mm ，加熱時間 5 秒，火力の強さ 1 / 2 火力



表1

 の条件および結果．
実験◯することで，より説得力のある研究をしたいと考えています．

試行名称

火力指標(―)

加熱時間(s)

積分面積(―)

低火力

1/ 47757545

中火力

2/ 451351069

高火力

3/ 431263183

この研究を行うにあたって，東京農工大学の上田祐樹教授のご助力を頂きました．この場を借りて深く御礼申し上げます．ありがとうございました．
昨年度に引き続き今年度も，オンライン発表会の多い年となりました．私は，今回が初めてのポスターセッションで，表2パワーポイントでの発表をポスター仕様に変更することに苦

現時点で最も効率の良い条件．

網の枚数(枚)加熱時間( s)網の相対位置パイプの長さ(mm)35

1/4600

労しました．発表後には多くの先生方に感想と助言を頂き，火力指標

1/ 2

自分には持ち合わせていなかった視点の提案から新たな気づきを得ることができたので，参加してよかったと強く思いました．今回いただいた助言を今後の研究に生かしていきたいと考えています．

文がそれぞれの条件に焦点を当てた際，最もよい結果が出るも献のだと分かりました．
これらのことを踏まえて，この項目を組み合わせたものが( 1 ) 坂本眞一，渡辺好章日本機械学会誌，111(2008), 428431.
( 2 ) 國友正和他改訂版 総合物理 1 力と運動・熱，数研出版(2020), 159.
( 3 ) 富永 昭日本物理学会誌，55(2000), 326
331.

現時点で最も効率のよい条件であるということもわかりました(表)．

(2021年12月 3 日受理)[doi:10.2320/materia.61.229](連絡先〒2630043 千葉市稲毛区小仲台 9461)

今後の展望としては，実験で得られた仮説・考察の検証を◇◇◇

スポットライト