とやまと自然No.1462014

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展示解説
平成26年7月19日（土）〜 9月7日（日）12とやまと自然
No.1462014

展示解説

特別展「スポーツを科学する 体験いっぱい！世界記録に挑戦しよう」
坂 井 奈緒子（富山市科学博物館 植物担当）
市 川 真 史（富山市科学博物館 物理担当）
朴 木 英 治（富山市科学博物館 化学担当）
富 山 市科学博物館では、平成 26 年 7 月 19ます。三半規管が回転するのに対し動かないリ日（土）〜 9 月 7 日（日）に特別展「スポーツンパ液によって、相対的にリンパ液が三半規管を科学する内を流れることになります。そのリンパ液の流−体験いっぱい！世界記録に挑戦しよう−」を開催します。

れを有毛細胞が毛で感じとり、前庭神経が脳に人間が動物と一線を画し、採集や狩猟に道具刺激を送ります。体をコマのようにぐるぐる回を使い、余暇が生まれた頃から、人は身体をつして止まった後、しばらく目が回るのは、リンかっての余暇活動になるスポーツを始めたこと

パ液の流れが慣性によって、すぐに止まらないでしょう。スポーツに必要な身体能力には、そためです。

れを司る体の働きが不可欠です。スポーツの技

加 速 度 や 重 力 を 感 知 す る 前 庭 の 中 は、には物理現象や運動法則を基にしたものが多く三半規管と同じくリンパ液で満たされ、内壁にあります。そして現代では、競技を支える計測は 2 つの耳石器があります。耳石器の中には機器、用品、衣類に最新科学が使われています。

炭酸カルシウムでできた耳石（平衡砂）があり、特別展では、体験や実験装置をとおして、スポー感覚細胞につながっています。耳石が加速や重ツにかくれている科学を紹介します。

力で傾くと、感覚細胞に伝わり、前庭神経から脳に刺激が送られます。

■ バランス感覚を司るのは耳

簡単な原理で、複雑な動きを感知する人間のスポーツ選手の多くが、優れたバランス感覚能力には驚かされます。特別展では、バランスを持っています。バランス感覚は、耳の鼓膜の装 置に乗り、ピンポン球をゴールに転がして、奥、内耳にある三半規管と前庭が重要な働きをバランス感覚を調べます。
（坂井 奈緒子）

しています。三半規管は体の回転を、前庭は加速度や重力を感知し、これらの情報が前庭神経から脳に伝えられます。
三 半規管のしくみは、その形や並 び方、中のリンパ液の動きによります。3 つの半規管は半円を描 き、互 いに 90 度程 に傾 いて X 軸、Y軸、Z 軸のように並び、立体的な動きを感知できるようになっています。半規管の中はリンパ液で満たされ、半規管の片方の付け根は膨大部という広い空間につながり、膨大部の内側には有毛細胞があります。頭が回転すると三半規管も回転しますが、中のリンパ液 は慣 性（元の図１状態を保とうとする現象）によって、回転して（平衡聴覚器、三倍大モデルの模型を一部改変）いない状態を保とうとし、動くまで時間差がで耳の中、鼓膜の奥に三半規管や前庭があります。

とやまと自然No.146■ 野球の変化球

2014

ボールです。スライダーは、ストレートに近い物体を空中に放り投げると、初速度に基づく軌道から、打者の手元で左にスライドするボー

慣性と、地球による重力のために放物線を描きルです。シュートは、ストレートに近い軌道でます。しかし、野球のピッチャーが投げる変化すが、打者の手元で右に食い込むように変化す

球は、打者の手元でボールの軌 道がさまざまるボールです。に変化します。しかもこの変化は、ピッチャーの投げ方でコントロールすることが出来ます。
慣性と重力に加えて、ボールに与える回転と空気の摩擦や流れを考えることで、この変化の仕組みを理解することができます。
・ボールにかかる力
回転しながら空気中を進むボールには、さまざまな力がかかっています。ボールに働く力の向きが決まると、ボールの進行方向はその力によって曲がっていきます。
ボールには、重力により常に下向きの力が加わっています。また、ボールが空気中を進むとき、ボールの回転があろうとなかろうと、ボールの進行を妨げるような空気抵抗、つまり進行方向と逆向きの力が常に働きます。

図 3：カーブ

さらに、ボールが回転（自転）しながら進む
場合は、進行方向に対して横向きの力を空気から受けます。流体力学によるとその向きは、ボールの進行方向前面について考えたとき、その前面が回転する方向と同じ向きとなります。
（図 2）

図 4：スライダー

図 5：シュート

これら３種のボールの軌道が変化する仕組み
図 2：ボールの進行方向と回転により受ける力の向きはすべて同じで、軌道が変化する力は、ボールの回転により発生します。カーブの場合はボー重力・空気抵抗による力・回転により受ける

ルの進行方向前面が左斜め下向きに回転するよ

力を総合した結果として、ボールの進む軌道がうに、スライダーの場合は進行方向前面が左向決まります。

きに回転するように、シュートの場合は右向き・変化球に回転するように、ピッチャーが投げる瞬間にここでは、右投げのピッチャーが投げた変化ボールに回転を与えています。図 345 にボール

球を、ピッチャー側から見た変化の向きで説明の回転と変化の方向をまとめました。

します。左投げのピッチャーが同じように投げ・ストレートも 変化球た場合は、変化の左右の向きが逆になります。

ボールをまっすぐ投げたとしても、重力によカーブは、右から左へ斜 めに大きく曲がる

り放物線を描 き、下向きに曲がっていきます。

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ピッチャーの投げるストレートは、ボールの進

実際にこのような変化球を投げるためには、行方向前面が上向きに動くような回転をしていボールの握り方だけでなく、手首や腕の動かします。そのため、カーブなどと同じ仕組みで、方、さらに体全体の使い方など、さまざまな体空気からは上向きの力を受けます。つまり、放の動きが関わっています。

物線よりも沈みにくく、より「まっすぐ」に進

今回の展示では、3D メガネをかけてスクリーみます。投げ方によってはボールが浮き上がっンを見ることで、立体的に投手や投げられたてくるように見え、打者の手元で「のびる」よ

ボールの動きを見ることができます。さらに、うに見えます。

バーチャル上でバッティングを体験できます。

図 6：ストレート

図 8 展示の様子

・フォークボール
フォークボールは、打者の手元で下に沈 むボールです。これまで説明した変化球と異なり、■ボールのスピードを測る

ボールのスピードは、スピードガンと呼ばれボールの回転を抑 えて投げます。それにより、る機器で測 定できます。 ガン

空気の抵 抗が大きくなり、球速の減 速が早く、対象物に対して発射していますが、発射するの重力によって下に落ちやすくなります。他の球は弾丸ではなく、「電波」です。飛んでくるボー種でもボールは打者に近づくにつれて徐々に落ルに電波をあてると、あたった電波は反射してちており、フォークボールだけが落ちるわけで戻って来ます。このとき、反射した電波にドッはないのですが、フォークの場合はより落ち方プラー効果が現れ、この効果の大きさを測定すが大きいので、「落ちる球」と感じられます。

ることで、スピードがわかります。の名のとおり

ここでは、ボールの回転と変化球の曲がる仕組

ドップラー効 果は日 常よく体験します。近付みについて説明しましたが、野球のボールには縫いてくる救急車のサイレンの音は高く、通 過しい目があり、縫い目では空気から受ける力の受けて遠ざかっていく時には低くなる現象がありま方が変わるので、縫い目がどのように回転するかす。これがドップラー効 果です。この場合、近でも、空気から受ける力の大きさが変わります。

づく時は音の波長が短く（＝周波数が高く）遠ざかる時は長く（＝周波数が低く）なっています。
このように波の発生源が移動することで波長（および周波数）が変化するのです。波としての性質を持つ音や電波に共通して見られる現象です。
ボールの進行方向正面付近から電波をあてれば、電波の反射面が近づいてくるので、戻って来た電波の波長は発射した時よりも短くなります。その短くなる割合は、ボールのスピードが速いほど大きく、遅ければ変化は小さくなるので、その変化の大きさからボールのスピードを

図 7 フォークボール計算することが出来ます。

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今回の展 示では、自分の投げたボールのスピードをスピードガンで測ってみることが出来ます。
■

スキージャンプ

浮力を増やす20 世紀後半まで、滑 空のスタイルは、気をつけの姿勢でスキー板を揃えるものが主流でした。しかし、1985 年スウェーデンのボークレ
ブがスキー板を V の字に開くフォームで登場。
飛距離を飛躍的に伸ばし周囲を驚かせました。
スキー板を平行に揃える飛び方にくらべ、V 字形は飛行機の翼のように風を受ける面積が広い
ようりょく

ため、浮力と揚力が増し、飛距離がアップする
図 9：ドップラー効果

ことから現在の主流になりました。
K 点はジャンプ台の下の方に引かれている赤い線で、かつては、これ以上飛ぶと危 険であるというジャンプ台の「極 限点（ドイツ語で kritischer Punkt）」を意味していました。ところが飛行スタイルやスーツなど用具の改良で、遠くへ飛ぶための技術が向上したため、この K 点を超 えてジャンプする選手が増 えてきました。そこで、安全に着地するために斜面の延長工事などが各地で行われました。これを境に現 在では K 点は、その位置を境にして着地

図 10 電波が動くボールに反射する様子

滑 走路の傾 斜曲率 が変わる着地斜 面の基 準点（Konstruktionspunkt）とされています。競技上実際の機器では、マイクロ波と呼ばれる携帯でも K 点は飛距離採点の基準点とされていて、電話や無線 LAN などで使われている程度の周

そこまで飛ぶと飛距離点として６０点が与えら波数の電波を照射し、波長の違いを周波数の変れ、超えたか超えなかったかでプラスマイナス化として受信して、ボールの速度を測定していされて飛距離点が計算されます。

ます。

図 12
図 11

展示の様子

極楽坂にある富山県スキージャンプ場（ノーマルヒル）の傾斜と K 点の位置
（資料提供：富山県教育委員会）

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ジャンプ台の大きさを表す新たな基準として陸上競技の場合、写真判定装置が全自動装置HS（ヒルサイズ）が導 入されました。その地として使用されています。写真判定装置は 1964点までであれば構造上危なくなく着地すること

年の東京オリンピックで初めて使用され、400m までの競技の公式計時として使用されたとのことです。当時は、白黒のフィルムで撮 影し、現像処理をしてから計測したようで、記録が出るまでにかなりの時間がかかったようです。
現在の写真判定装置は、縦に細長い隙間をとができるとされています。ちなみに、極楽坂にある富 山 県スキージャンプ場では、K は 75m、HS は 85m です。
展 示では、スキー板を平行にした時と V の字にした時の浮力の違いを確かめることができます。
（市川図 13■真史）

展示の様子

計時
陸上競技や水泳競技など、時間が記録として残されるスポーツ競技では正確な時間を確実に計ることが重要です。本当は世界記録が出ていたのに、時計の調子が悪かったために、もう一度競技をやり直すということは絶対に出来ないからです。
競技で時間を計ることを計時といいます。計時の方法は各競技団体の競技規則に細かく決められており、計測開始（スタート）から終了（ゴール）まで人の操作が全く入らず、コンピュータを使用して全自動で計時を行う方法や係員がストップウォッチを使って手動で計時する方法な

おしてゴールライン上だけを高速度で撮影する
スリットカメラ（デジタルカメラ）を使用し、システムの時計と連動して 1 秒間に 1000 枚の細長い画像を撮影します。画像はコンピュータによって時間の順につなぎ合わされ、各競技者のゴールの時間が自動的に表 示されるそうです。このシステムではスターティングブロックに着けられたフライング検 出装 置により、スターターの合図から 0.1 秒以内に競 技者がスタートするとフライングと判定されます。人は音を聞いて（脳で処理して）動き始めるまでに最低 0.1 秒かかるという理由からだそうです。
記録は、10,000 m（を含む）以下の競技の時間は 0.01 秒単位で（0.001 秒の単位の時間は切上げ）、それ以上の競 技では 0.1 秒単位で記録されます（0.01 秒の単位の時間は切上げ）。
水泳競 技の全自動判 定装 置は、スタート音
発生装 置で選手にスタートの合図を送り、これと同時に計時が始まり、各選手が自分のコースのタッチ板を自分で押すことでゴールとなります。時間の記録と順位の判定は自動的に行われます。全自動装 置による時間と着順の判 定は 0.01 秒の単位で行われ、0.001 秒の単位まで計測できる場合、0.001 秒の時間は切り捨てられます。スタート台にはセンサーが付けられてどが定められています。

図 15100m 競技のゴール

写真判定装置で各選手の時間が計測されている（北信越
図 14

ゴールを見下ろす写真判定装置のスリットカメラ（富山県陸上競技場）

学生陸上競技選手権の 100m 競技）。
（写真下に見えるのは手動計測用の計測員席）

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図 16

水泳 競 技のスタート（富山市民プール）

図 17

2014

水泳 競 技のゴール

スターターの合図と共に時計がスタートし、後ろの計測ゴール板にタッチすると自動計時の時計が止まる。

員もストップウォッチをスタートさせる（ジュニアスイム

計測員もタッチを確認してストップウォッチを止める。

フェスティバルのひとこま）。

おり、フライングの確認やリレーが正しく行われたかどうか（泳いできた選手がタッチ板にタッチした後に次の選手がスタートしたかどうか）の確認が行われます。ただし、陸上競技とは異なり、フライングの判定はスタートの合図の前にスタートした場合をフライングとするそうです。全自動装置を使用する場合でも、万一に備えて、ストップウォッチなどによる計時も行われます。
全自動計時に対して、ストップウォッチによる手動計時は古くから行われている方法です。
1964 年の東京オリンピックでは、中長 距離レース（400 m 以 上 ） の 公 式 計 時 に 1/10 秒 ま で計測できる機械式のストップウォッチが使われました。また、マラソンや競歩では、当時としては最新式の電子式のデジタルストップクロッ。
クが使われました（計測は 1 秒単位）
陸上や水泳競技の手動計時では、一人の競技者に対して計 測員が 3 名配置されるそうです。
計時はデジタルストップウォッチを使い、スターターの合図で開始します。陸上競技の場合、競技者の胴体がフィニッシュラインのスタートに近い側の端の垂直面を通過したときに計測を終了します。水泳競技の場合は、選手がゴールにタッチしたら計測を止めます。手動計測による時間は、陸上競 技の場合、0.1 秒単位で記録され、0.01 秒の時間は切り上げられます。例
えば 10 秒 11 の記録は 10 秒 2 と記録されます。
水泳競 技の場合は 0.01 秒の単位まで計 測します。
手動計時では 3 台の時計のうち 2 台の時計の時間が一致したときはその時間が公式時間となり、3 台とも異なる時間を示した場合は、中間の時間を示した時計の時間が公式時間となります。3 台のうち 2 台だけが時間を計測できた場
合、陸上競技では遅い方の時間が、水泳競技の場合は 2 台の平 均時間が公式の時間となります。
展示室で体験できる装置は、皆さんが 100 mを全速力で走ったときの時間を表示します。時間を計 測するのはコースの中 程の 2 m の区間で、はじめの位置と終わりの位置に光センサーがあり、はじめの位置のセンサーを通過すると時計がスタートし、終わりの位置の光センサーを通過すると時計が止まります。測定した時間を 50 倍して 100 m 走ったときの時間を表示します。光センサーのシステムは一着の選手の時間表示やラップタイムの表示などに使われているそうです（情報提供 : セイコーミュージアム）。
■ スポーツを支える衣料
スポーツ用の衣料に使われる素材には、激しい運動に耐える強さと軽さ、体の動きにフィットする適 度な伸 縮性などの他、汗 をよく吸 い取って早く乾く機能（吸湿速乾性）やウインター
スポーツではウェアの中の汗を外に蒸発させるけれど、外の水滴ははじいて、ウェアの中に水をとおさない透湿防水性など、様々な機能が求められます。これらの機能のどれを重視するかは競技によって異なってきます。これらの機能を作り出すため、新たな機能を作りやすいナイロン、ポリエステル、ポリウレタンなどの化学繊維を使用したり、これらに、特殊な加工を施したり、綿やウール（羊毛）などの天然素材と化学繊維を組み合わせたりなど、様々な工夫が行われています。
例えば吸 湿・速 乾素 材では、綿 などの天然繊維の布と化学繊維の布を貼り合わせたり、糸の表面に別の素材をコーティングしたりした

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た汗の水分と結合して発熱（水和熱）する化学繊維も開発されています。ただし、この素材は、水分が十分に結合してしまうと発熱量は少なくなります。このような化学繊維では糸を作る際に、中心部に連続した穴の開いた中空繊維にしたり、中空の微細なカプセルを練り込んだりして糸自身の保温性を高めることもできます。
競泳用の水着では、表面のでこぼこをなる
図 18

べく小さくして水の抵 抗を少なくする加工や、透湿防水素材の例

流れに沿って縦縞状に撥水加工をすることで、複合素材が使用されているそうです。透湿防水

撥水加工されていない部分との間で流れの速度

素材では、水滴が入り込めない程度のごく小さを変え、小さい渦を作ることで後方の流れの乱な穴（0.1 〜 3 ミクロン程度）を無数に開けたれを少なくして水の抵抗を下げる方法もあるそ

フィルム（撥水性が高い）を布に貼り合わせたうです。

ものが最初に考案されましたが、最近ではこのこのように、スポーツ用の衣料も記録を伸ばような穴 がなくても透 湿性と防 水性を持たせすために貢 献しています。展 示では、衣料用た素 材もあります。ウインタースポーツでは素材などのメーカーである小松精練株式会社の保温性も重要で、断熱効果の高い空気層を作る協力を得て透湿防水素材、蓄熱保温素材、水着ことで保温性を保ちますが、太陽の光を熱に変用の撥水速乾素材などの特徴を体験できるようえる材料や赤外線を吸 収する材料を化学繊 維な展示を行います。
（朴木英治）の製 造過程で繊 維に練り込 んで保 温性をより高めた素 材も作られています。また、蒸 発し
表1種目

スポーツウェアに使われる素材と必要な機能

服の種類使用される素材特に必要な機能

ジャケット、パンツ

ナイロン、ポリエステル

透湿防水、撥水、保温

競技用スーツポリエステル／ポリウレタン、ナイロン／ポリウレタン

低抵抗、ストレッチ、通気スケート

スケートスーツ

ポリエステル／ポリウレタン

低抵抗、ストレッチ

陸上

シャツ、パンツ

ポリエステル、ポリエステル／綿吸汗速乾、低抵抗、軽量

水泳

競技水着

ナイロン／ポリウレタン、ポリエステル／ポリウレタン

低抵抗、ストレッチ、耐塩素

野球

ユニフォームポリエステル、ポリエステル／綿ストレッチ、耐摩耗

バレーボールシャツ

ボリエステル／綿

吸汗速乾、耐融バスケットボールシャツ

ポリエステル、ポリエステル／綿吸汗速乾、軽量

サッカーシャツ

ポリエステル、ポリエステル／綿吸汗速乾、軽量

テニスシャツ、パンツ

綿、ポリエステル／綿、ポリエステル

吸汗速乾、防汚

スキー

球技

テニス
ゴルフ

共通

シャツ、パンツ

綿、ポリエステル／綿、ポリエステル／ポリノジック、毛吸汗速乾、形態安定

トレーニングウェア

ポリエステル、ポリエステル／綿吸汗速乾

ウインドブレーカー

ポリエステル、ナイロン

通気レインウエア

ポリエステル透湿防水

スウェット

綿、ポリエステル／綿、アクリル／綿吸汗速乾、形態安定

出典 藤田正樹 スポーツウェア用繊維素材について , 繊維と工業 , 第 52 巻 , ４号 , 171-176, 1996とやまと自然 第３７巻第２号（夏の号）（通算１４６号）平成26年7月1日発行
発行所 富山市科学博物館 〒 939 - 8084 富山市西中野町一丁目 8-31
TEL 076-491-2125 FAX 076-421-5950 URL http://www.tsm.toyama.toyama.jp/

発行責任者 上杉俊男

印刷所 中央印刷株式会社 TEL 076-432-6572