第５５回愛媛県児童生徒理科研究作品特別賞＜愛媛県知事賞＞

ぼくの探査機着陸成功！（落下・衝撃吸収の実験）
西条市立神戸小学校

第６学年
指導教諭

１

川十

島亀聡亮

真一

研究のきっかけぼくの夢は、宇宙工学を学び、はやぶさのような探査機を作ることだ。どうすれば、この探査機が無事に着陸できるか、自分で実験装置を作り、落下・衝撃吸収の研究をすることにした。
探査機を無事着陸させるには、落ちた時の衝撃を少なくする必要がある。そのための２つの方法について調べた。
落ちる速度をおそくするには、どうすればよいか。
落ちた時の衝撃を吸収するには、どうすればよいか。

２

衝撃実験装置
探査機に見立てた衝撃測定カプセルを、長さ３ｍの天秤の先に取り付け、いろいろな条件で、カプセルを落として衝撃の大きさを調べた（図１）。
衝撃測定カプセルは、７台の試作機を作り８台目でようやく完成した（図２）。
ふたの外側に、２８個のネオジウム磁石がボンドで固定してある。
内側にピン型の磁石を磁力で張り付け図１ 衝撃実験装置

る。カプセルを落とすと、ピン型の磁石は、衝撃で外れる。外れた磁石の数が、衝撃の大きさを表すと考えた。
外れた磁石が、カプセルの中で飛び跳ね、再びふたの磁石に付く場合があることが分かった。それでは、衝撃で外れた磁石の数を正確に調べることが出来ない。
それを防ぐために、カプセルの深さを深くして、ふたに取り付けた磁石よりも強力な磁石を、カプセルの側面と底面に取り付けた。衝撃で外れた磁石は、そちら

図２ 衝撃測定カプセルに付くはずだ。
２８個の磁石が、すべて同じ強さの場合、衝撃が強いと、磁石がほとんど外れて差がつかず、衝撃が弱いと、磁石が１個も外れず差がつかないため、衝撃を測れる範囲がせまくなることが分かった。そこで、重ねる枚数を変えたシールを間に入れて、磁石の強さを段階的に変えた。
−３６−完成したカプセルは、落とす高さ、つまり衝撃の大きさと外れる磁石の数が比例している（図３）。
外れる磁石の数で、衝撃の大きさを測れることが確認できた。
３

落ちる速度をおそくして衝撃を少なくする実験
落ちる速度をおそくして、衝撃を少なくする方法

図３ 落とす高さと外れた磁石の数

は、パラシュートについて、調べることにした。
効果の大きいパラシュートの形を見つけるために、形をいろいろ変えて、衝撃実験をする必要があるが、この大きさのパラシュートを何種類も作るのは、難しいと思った。そこで、去年の理科研究で作った風洞を改造して使うことにした（図４）。
風洞にいろいろな形のパラシュートの模型を入れて、抗力の大きさを調べれば、抗力を増やすのに効果の大きいパラシュートの形を探すことができる。

図４ 風洞実験装置

風を起こすのには、扇風機を使い、抗力の測定には、キッチンスケールと てこを使った。風が当たり、パラシュートの模型が浮きあがると表示が減るので、減った分を抗力として測定した。

図５ パラシュートの形と空気の流れ

図６ 縁付きの円盤

本物のパラシュートは、凹型になっている。
その方が、空気が逃げにくいので、空気抵抗が大きい、つまり抗力が大きいのかもしれない（図５）。
そこで、円盤の周りに縁を取り付け、縁の有り無しで抗力がどう変わるかを調べた（図６）。
直径が大きい時は、縁がある方が抗力は大き

図７ 縁の有り・無しと抵抗くなった（図７）。しかし、縁の分だけ材料が余分に必要になる。この実験の目的は、より少ない材料で、より抗力が大きくなる形を見つけることだ。そこで、材料１ 当たりの抗力を計算して比べてみた（図８）。
使った材料１当たりの抗力は、縁がある方が少なく、縁に使った材料は、それに見合った

図８ 材料１ 当たりの抗力効果を出していないことが分かった。
縁をつけると縁の分だけ材料が必要になるので、うまくいかない。もっと単純に円盤を曲げたらどうかと考えた。円盤を糸で引っ張って曲げ、糸の長さをかえて抗力を調べた（図９）。
−３７−

図９ 円盤を曲げての風洞実験

少し曲げると抗力は、大きくなった（図１０）。
この方法なら、材料を増やさずに抗力を増やすことができる。
風洞実験で分かったことを確かめる為に、衝撃測定カプセルに取り付けたパラシュートを、少し曲げて実験をした（図１１）。パラシュートを少し曲げると空気抵抗が大きくなり、落ちる速度が遅くなるの

図１０ 曲げた円盤の抗力で、外れる磁石の数は少なくなるはずだ。
パラシュートを少し曲げると、外れる磁石の数は、少なくなった（図１２）。
必要な材料を増やさずに、落ちる速度をおそくして、衝撃を少なくすることができ
図１
１ パラシュートの曲げ有り・無し

た。
風洞実験で、いろいろな形のパラシュートを試すことによって、同じ材料でより大きな効果を出す方法を見つけることができた。
４

衝撃を吸収して衝撃を少なくする実験
衝撃吸収材として紙ばねを使った実験
次は、落ちた時の衝撃を吸収する方法

図１２ パラシュートを曲げての衝撃実験について調べた。衝撃を吸収する方法として、まず、画用紙で作ったばねを衝撃吸収材に使って実験をした（図１３）。
紙ばねがある方が、外れる磁石の数は少なくなる、つまり、衝撃を紙ばねで吸収できていることが分かった。紙ばねを３本以上にすると、外れる磁石の数が増えてしまう、紙ばねの本数を増やし過ぎると良くないことが分かった（図１４）。
同じ本数を使った時に、並列に並べたのと、直列につないだのとでは、どちらが良く衝撃を吸収するかを比べた。紙ばねの合計本数が２本、４本の場合ともに、直列につないだ方が、外れる磁石の数が少ない、つまり衝撃をよく吸収することが分かった（図１５）。

図１３ 紙ばね

図１４ 実験結果

図１５ 並列と直列の比較

衝撃吸収材として、つぶれる物を使った実験
自動車などでは、積極的にボディをつぶして、衝撃を吸収していると聞いたことがある。探査機に見立てた衝撃測定カプセルの下に、衝撃吸収材として、つぶれる物を取り付けて、カプセルを落とし、衝撃がどのぐらい少なくなるかを調べた。
−３８−

①

衝撃吸収材に正方形の筒を使った実験
長さと大きさを変えた２４種類の正方形の筒を画用紙で作り、衝撃測定カプセルの下に取り付けて落下させ、外れる磁石の数を数えた（図１６）。
衝撃吸収材の長さが長くなる程、外れる磁石の

図１６ 正方形の筒数は少なくなる、つまり衝撃をよく吸収することが分かった。９㎝の長さで外れる磁石の数はとうとうゼロになり、目標である２ｍの高さから落として、外れる磁石の数をゼロにする。を達成することができた（図１７）。
②衝撃吸収材を強い形にした実験

図１７ 実験結果（正方形の筒）

長方形の筒を二つ並べて、正方形より強い形の衝撃吸収材をつくり、正方形の場合と比べてみた。
５種類の長さについて実験をした（図１８）。強い形にすると、外れる磁石の数が大幅に増えた（図１９）。
強い形は、落下の衝撃であまりつぶれないため、図１８ 長方形を並べた衝撃吸収材

衝撃の吸収が少なくなることが分かった（図２０）。
③衝撃吸収材の材料を変えた実験
今までは、すべて画用紙で衝撃吸収材を作って実験していた。衝撃吸収材に、より強い材料として厚紙、より弱い材料としてコピー用紙を使ったら、どうなるかを調べた。形については、強くな

図１９ 形を変えての実験

い程、衝撃をよく吸収することが分かったので、材料についても一番弱いコピー用紙が、一番よく衝撃を吸収するのだろうか。
厚紙とコピー用紙で長さ９㎝、大きさ３種類（５㎝×５㎝，７㎝×７㎝，９㎝×９㎝）の正方形の筒を作り、カプセルの下に取り付けて衝撃吸収の実験をした。その結果を同じ形の画用紙の結図２
０ つぶれ方の比較

果と比較した（図２１）。
外れた磁石の数は、画用紙、コピー用紙、厚紙の順番で少なかった。材料は、強すぎてもダメ、弱すぎてもダメなことが分かった。
図２
１ 材料を変えての衝撃実験

５

おわりにこの研究では、衝撃を測定する部分を作ることが、本当に大変だったが、装置を完成させ、衝撃の強さを数値で比べることができ、いろいろなことが分かった。どうなるかは分かったが、なぜそうなるかという疑問は残る。毎年の理科研究で、ぼくのなぞは増えてゆくばかりだ。ぼくの将来の夢である宇宙工学を学んでゆく中で、これらを解明していきたい。そのために、今できる、学力、体力、友だちとのチーム力を毎日一つ一つつけていこうと思う。
−３９−