７，８７−９８，（２００２）

愛媛県総合科学博物館研究報告，

サイエンスショー「あっ！落ちるぅ〜
久松

落下と重力サイエンス」実施報告

洋二*

A working report of “free fall and gravity”
Yoji Hisamatsu
Gravity have been captured the unavoidable force on the earth.Usually, we merely recognize the existence when
we support something to prevent from falling or we saw a result caused falling.We have little interest in the middleof the falling motion. However, falling motion that occur in an instant is presented the rich appearance. It is reported
that the substance of the demonstration of various figures caused falling motion in Ehime pref. science museum.

はじめに験は１回２０分程度行われた．来館者一般が対象で，３ヶ月の間に約２００回実演された．

好む好まざるにかかわらず，われわれは常に重力の元実で生活している．身体の構造も基本的な思考の概念も重験項

目

力がある前提の上に発達している．
「落ちる」という言
葉はその力が下向きであることを表す．支持されないも・重さと重いことのはすべて下向きに運動を始めるので，それを避けるさ・地球での常識まざまな工夫が存在する．われわれはあたりを簡単に見・空気がないと回すことで，相当数の落下を阻止する工夫を見つけるこ・モンキーハンティングとができる．同時に，運動を停止させ物体を固定する摩・重さがなくなる

擦が有効に作用することも，重力が万有であり地球上の実験の構成と内容すべてのものに地球による重力が作用する結果である．
「落ちる」ことは，すなわち運動を意味している．にもかかわらず，日常では，「落ちるかも知れない」可能

落下に伴う物理現象を実験した．重力は恒常的に感じ性（しばしばそれは危険性をあらわす）や「落ちてしまる力であり，落下は日常的に目撃する運動であるが，そった」ために引き起こされたこと（ほとんどの場合悲劇の現象を改めて考える習慣は一般的にない．落下とそれ的結果）のように，つり合いや結果しか注目しない．過を引き起こす「重さ」について整理をすることで，見て程は心理的描写に使われることが関の山である．そのたいるにも関わらず見過ごしていたことについて考える機

め本実験は「落ちる」過程を扱うことで，日常の「落ち会を提供することが目的である．

る」現象を科学として見直してもらうことを目的とし実験の構成は次のとおりである．まず，落とす力であた．
「落ちる」自然な姿とは何か．それはどのような点る「重さ」を説明し，空気のある中での落下を観察すに注目して観察すれば統一的に見られるのか．落下の本

る．次に空気がなければ落下はどのように変わるかを観

質的な運動とはどのようなものなのか．落下で引き起こ察した後に等価原理に簡単に触れる．最後に無重力下でされる現象には何があるのかなどを，親しみやすい例をの振る舞いを実験する．重さをなくするためには落下が実演して解説した．本質を抜き出すために非日常的な実関係する．重さがないと日常と何が違うのかを調べるの験をも行うが，自然な仮定の検証として提供した．

である．

本稿は愛媛県総合科学博物館において，平成１３年９月から１２月の間に行われたサイエンスショー「あっ！落ちるぅ〜

重さと重いこと
落ちることは下に引っ張る力が存在する．その力の大落下と重力サイエンス」の実施報告である．実

きさを重さという．
「重さ」は日常で使う言葉でありな＊愛媛県総合科学博物館

学芸課

科学技術研究科

Dept. of Science and Technology Ehime Pref. Science Museum

がら，そこには物理的な意味も含んでいることを強調した．一方で「重い」は程度を表す修飾語，または重さを―８７―

サイエンスショー「あっ！落ちるぅ〜 落下と重力サイエンス」実施報告

支える身体の負担についての主観的な感想なので，似たず．短い上り下りのある道や下り坂が終わるところ，まような使い方をする言葉である．これらの言葉を対比さたはカーブを高速で走り抜けるとき，膝を後ろから折らせながら，「落ちること」その原因である「重さ」といれるいたずらなどはその例である．普通は，体が軽くなった実験のテーマを明確にさせた．

る重くなると意識するより，気持ち悪い感覚を記憶して重さは測定場所に対して一定値が得られるが，重く感じることは，体験者がどのように物体を支えるかに依存いる．その日常的な記憶を理科で解釈し，落下と無重力の話へと導いた．

するところに大きな差があることを実験で示した．観覧

無重力での振る舞いを見せる対象物は，ゴムで支持さ者の「重さ」に関する意識を調整する役割である．実際れたボールや水に浮かんだスーパーボールなどである．に観覧者が体験することも，意識の統一に一役かってい実験機材と解説

る．
地球での常識展示室内にある実験ショーブースのステージで落下実重いものと軽いものを同時に落とすとどちらが速く下験するために，落下している時間は非常に短い．それはに落ちるか？一般的には重いものの方が速い．地球上で１秒にも満たない．観覧者は実験を見るだけ．まして自の常識である．自然現象（たとえば，雨粒の大きさで雨分でストップウォッチを持っているわけでもないので，の降り方や雨音が違って聞こえるなど）から紙を舞い落

その実験時間でなるべく集中しやすい工夫を心がけた．とすゲームに至るまで，この常識はよく目にされる．自

具体的には，落下物を大きくすること．少しでも落下時然がわれわれに見せる姿はこの姿である．落下の本質で間をかせぐこと．実験を見る目線を少しでも高くするこある「そのものの質量によらず平等な加速度（重力加速と（これらのことは結果的に実験装置を大型にした）．

度）を得る」ことを理解する前に，ありのままの姿を確

落下物の色味をはっきりさせること．落下させる瞬間を認する必要があると考えて行った．重いものや断面積の明確にすること．落下物と落下のどこに注目すればよい

小さいものが速く落下することは，即ち空気抵抗の大きかを明確にすることが挙げられる．実験とその機材は以さを表すのだが，それはよく分からない効果ではなく，下のとおりである．

１）

ある程度簡単に評価できる ことも簡単な実験を交えて印象づけた．

微妙に重さの違うおもり

空気がないとれも同じ重さにしなかったのは，観覧者に体験してもら５kgf 程度のおもりを３種類用意した（写真１）．ど
紙や羽を落下させ，その落ちる姿を見ることで，空気い，自分の感覚で感じてもらいたかったからである．ど抵抗の存在をよく印象づけることができる．空気のある

れも同じ重さかも知れないと疑いながら体験する場合

ところで人形と紙を同時に落として，落下にかかる時間と，最初から重さが違うことを明らかにされてから体験と落下の軌跡を観察した．落下すると空気が影響するこする場合では，重さを感じ取る感覚が心理的に異なる．とを示した後に，空気がないところで同じ実験を行っ予備実験の結果から，後者の方が自分の感覚に正直になた．結果は２つが同じ落ち方をする．このことから，空ることが期待されたために，異なる重さのおもりを用意

気さえなければ，または空気の影響が無視できるときした．
用意したおもりは綿のつまった布団袋と鉄の塊，砂袋は，落下に個性は乏しく，平等であることを説明した．

である．それぞれ数グラムの誤差を含むが５．
２kgf，５モンキーハンティングkgf，４．
８kgf とした．
「同じ重さの綿と鉄では，綿の方が同時に落ち始めたものは，その初速度に関係なく，同体に負担される力のモーメントの関係で，体積の大きなじ時刻で同じ距離を落下する．落下だけ抜き出せば，運綿をより重く感じるはず」という知識を持っている人は動状態に関わらず平等であることを示す実験として行っ意外に多い．しかし，袋に入った綿はあまり変形しないた．打ち上げられた弾と落ち始めたサルが衝突することこと，この程度の重さを上半身で分担して支えることでは，目にすると不思議な印象を与える．

特定の関節に大きな負荷がかからないことから，２００gfの差があったとしても綿の方を軽く感じてしまう．知識

重さがなくなるをほんの少し裏切るために重さを設定した．体験者の大自由落下で無重力を作り，無重力下での振る舞いを観多数の感想は，重い順に鉄，砂袋，綿とする印象を受け察した．実験を始める前に，無重力は自由落下で作れるた．もちろん，持ち上げる姿勢にも依存する．実験に使ことを説明した．無重力ではないが，加速度運動で体重った３種類のおもりは床におかれていた．指名されて慌が軽くなったり重くなったりする経験は誰にでもあるはてて体験すると，腰を曲げてほんの少しだけ持ち上げる―８８―

久 松 洋 二ので，肩と腰の負担を重視してしまったことも記しておがらの実験を強いられたことが残念であった．

く．
モンキーハンティング
空気抵抗を評価しやすいもの

床面の距離で約３

実験はすぐ終端速度に達するほど軽量で断面積が大き２）離れた標的を打ち落とす実験を行った（写真７）．標的は約２の高さから落下し，床かい物がよい ．終端速度を比較することで，身の回りにら６００〜９００ミリあたりで命中する．装置を設置したステ

ある物の多くが速度の２乗に比例し断面積に比例する抵

ージは観覧者の床面から２００ミリほど高くなっているの抗を持つこと，質量の平方根と運動方向に垂直な代表的で，１ほどの高さが命中位置となる．

長さに比例する終端速度を持つことを実感してもらう．

名前に従ってサルのキャラクターを標的に使った（写今回は紙風船を使用した（写真２）．脚立を使用して４真８）．標的は林のジオラマを製作し，張り出した木に枚重ねの紙風船を２から同取り付けたコイルにサルが吸着する．打ち落とすための時に落下させ，同時に着地することを実験した．そのほ発射装置には犬の造形を施し（写真９），武器の印象をか折り畳んでセロテープで接着し，直径を半分にした紙和らげてある．弾はピンポン玉を使用した．落下物を大風船とそのままの紙風船で，やはり高さの差を２倍にし型（約２５０ミリ）にしたので，実験装置全体はかなり大て同時に落ちることを確認した．

がかりな印象を持つ．カラーのピンポン玉が命中判定をから，１枚の紙風船を１身の回りの空気抵抗について，紙や羽，雨粒の落下の容易にさせた．

振る舞いや質量と速度の関係についても解説した．空気弾が発射した瞬間にサルが落下を始めると必ず命中す

抵抗のおかげで雨にうたれても我々は平気であるが，雹ることは，ベクトルの合成で説明した．正確に狙われては時に大きな被害をもたらすこと，スカイダイビングのいれば，重力がないなら必ずあたる．サルと弾の落ち方

落下速度や落下を始める時間差があっても空中で追いつ（重力加速度）が同じだから，弾はサルにあたる運命にくことができることなど，代表的な数値を引き合いに出ある．重力があるかないかで起こる過程は，サルにとっしながら簡単に解説した．てはまわりの風景が変わるか変わらないかの差でしかない．という意味の CG を制作し，説明に用いた．

真空落下弾の発射装置はプラモデルのランチャーを改造した．

本当に空気抵抗がなければ，同じ加速度で落下するこ

サルを固定するコイルの電源が，弾が発射した瞬間に切とを示すための実験である．空気中で紙とビニルの人形れるように接点（写真１０）を製作した３）．落下している（写真３）を落下させ，圧倒的に紙の落下時間が大きい

間，標的のサルはほぼ自由落下するが，ピンポン玉は軽ことを示してから，デシケータ（写真４，５）の中に入すぎて，サルに命中するまでの間にはほぼ終端速度に達れ真空にひいた後，同時に落下することを実験した．落する．そのため，正直に狙えばまずあたらない．サルの下距離は１．時間にして０．
３秒も満たないが，落とす少し下を狙うことになる．その誤差を埋めるために，ラ物を大きくすることで，落下物への注意を引いた．デシンチャーの先端には照準器としてレーザーを取り付け，ケータは直径３００ミリφ，厚さ１０ミリのアクリル円筒をレーザー光はサルを狙うように調整した．ショーであっ用い，上下に１５ミリ厚のアクリル板で吸着させた．接合て見ることが重要であること，定量的な実験でないこと

部はゴムシートとグリスのみを使用した．落下物の固定から，演出を優先させた．真空落下での説明との対比かはコイルを使った（図１，２）．

ら，実験中にこの実験が精密でなく，命中するように調１の落下距離は短いため，デシケータは高さ８００ミ整をしていることは明言した．

リの台車の上に置いて高い視線で落下を観察できるようまた，この実験は失敗しづらかった．説明の検証なのにしている．空気がなくなることは目に見えないので，で裏切る結果は印象が悪いことに加え，実験のセッティ落下物に空気で膨らますビニル人形を用いた．微量の空ングに時間がかかるので流れが止まるという一般的な理気を封入した人形が真空度が上がるにつれて膨れだす．

由もさることながら，動物を標的にして何度も撃ち落と充分に人形が膨らむことで，高い真空度が達成されたこ

すことは観覧者の気持ちを，特に子どもをつらくさせるとの指標とした．

からである．

紙と人形の上部にはワッシャーとボルトをそれぞれ貼りつけて，コイルの磁場で固定する（写真６）
．紙に貼

自由落下

り付けたワッシャーはなるべく軽い物を使用した．

最後は重さからの解放を観察する実験である．１辺真空ポンプを止めた後に実験を行いたかったが，自作３００ミリ立方のアクリルケースを落下させる（図３，のデシケータはリークとの戦いで，ポンプを止めるとす４）．そのケースの中に落下物を入れて，落下中の振るぐ実験結果に影響が出た．そのため，ポンプを動かしな舞いを見る．落下するケースには CCD カメラを取り付―８９―

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け（写真１１，１２），装置が見えにくい遠くの観覧者もモに答えるかの興味もあった．正しく調査したわけではな

ニタできるように配慮している．落下距離は１．
２ 程度

いが，「同時」と答える観客が意外に多い印象を持った．

である．落下物はゴムにぶら下がる球，振り子，水に浮突然質問されたことによる判断力の低下なのか，ガリレいているスーパーボールである．落下物が小さく，落下イの実験に関わる話の印象があまりにも強力なのか．正に伴って視線を移動させながら，ごく短時間にその振る確なスタイルで調査することも興味深いと思われる．本舞いを観察することはまず不可能である．なるべく色の質を抽出した原理や法則，印象深い派手な姿も大事であコントラストをつけたものを用意した．どこを見るか前るが，自然な姿を確認する作業もショーに取り入れるべ

もって注意しても，予備知識のない状態から変化を発見きであると考えている．

し，その変化に集中するには，時間があまりにも短すぎ謝る．実際に行う落下運動は，観客に実験を見たという現辞

実感と満足感を与えるための演出の側面が大きい．現象
本実験で使用した実験装置の一部は，当館の進学芸員を説明するために，あらかじめ撮影しておいた映像を１０％のスローモーションとして編集した映像を見せながに製作していただいた．ここに感謝の意を表します．

ら解説した．
引用文献
まとめ

１）今井功

数学セミナー ４
２２（１９９６）５０−５
６ 日本

評論社
すべてのものは落ちる．そのことは地球上で生活して

２）兵藤俊夫いるわれわれにとってあまりにも自然なことであり，逃

３）池本義夫編れることのできないことである．重力に抗するためにさまざまな工夫を行い，気づかないうちに利用していたりする．水平なところは固定しやすいことや，ものをつくり組み立てるより壊すことの方が簡単であることも重力の影響なのである．何かが落ちれば，われわれは普通，落ちた結果のことが気になる．落ちて割れたこと壊れたことや支えがはずれたこと，汚れたことだけが気になる．結果が悲劇的であればあるほど経過を忘れてしまう．もちろん，このことは落ちている過程が一瞬であることとも無縁ではない．実験ならば，落とすことを予告しているので，安心してその過程を観察することができる．落ちたことや落としたショックで頭が真っ白になっている瞬間，本来物体はどのような姿をしているのか，いつもより感覚的にゆっくり移動する姿に思いをめぐらせてもらえたのではないかと考える．落ちることはあまりにも身近であるから，いつでもその気になれば，損害が気にならないまたは発生しない時に限り，今回の実験で触れた着眼点を検証することができる．
ショーを行っていてひとつ気になったことがあった．
紙風船の落下の実験である．この実験は，著者が学生の時，理科教育法の講義の中で講師によって指摘された重要な事を思い出しながら加えた実験である．その指摘とは，この問題に答えられない理由が流体力学の初歩を知らないためであってはならない，ということであった．
まず，自然の姿があり，次にその中の本質を抽出するモデルがこなければ，理科は教科書の中だけの知識になってしまう．この実験と質問は，当時受講していた物理専門の学生ほどよく間違えた問題であった．実験の内容もさることながら，ショーで出題すると来館者はどのよう

―９０―

講談社

日本物理学会誌 ５６（２００１）２７７−２７９
三訂増補物理実験事典（１９７３）９７−９９久 松 洋 二

図１ 真空落下装置図面．３００φの円筒を利用した．アクリル接合面は固定金具を取り付けずにゴムシートとグリスで対応した．真空度が上がると自然に圧着する．アクリル天板に穴を開けたところには，シリコンゴムでシールした．全高は搬入出の関係で２０００ミリまでの制約がある元で設計した．

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図２ デシケーターをのせるワゴンの天板．ショーで使うので見た目も考慮して四角形は避けている．

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図３ 無重力観察装置図面．
４本の支柱は強度を考えてステンレスを使用した．低摩擦樹脂によるフランジをケースに取り付けて支柱を通している．全高の制約は真空落下装置と同じ．

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図４ 天板及び落下部屋図面．安定性重視から天板は四角い．ケースの天板は，なるべく重量を減らすために，支柱を通す部分とカメラを設置する部分以外取り除いた．

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久 松 洋 二

写真２ 空気抵抗の大きさを評価するための紙風船．質量が小さいためほぼ終端速度に達する時間と落下距離が短く，その間の誤差が小さいので実験が容易である．

写真１ 身体で支持する感覚と重さの違いを知るためのおもり．綿の入った布団袋，砂袋，鉄の塊を用意した．５kgf 程度でも綿は抱えるほどの体積になるのだが，肩の強い負担などの方が印象的であるため，鉄の塊の方を重く感じてしまう．

写真３ 真空落下に使用した落下物．羽やティッシュペーパーなどのきわめて軽い素材に金属片を固定すると，金属片に落下が引きずられてきれいに舞い落ちないので，少し重めの紙を使用した．人形はデシケーターの真空度を観覧者にも確認できるように，ビニル人形を使用した．
写真４ 正面から見たデシケータ．落下を見やすくするため落下物を大きくしたので，装置も大型になった．来館者の視線をあげるために，背の高いワゴンに設置した．

写真６ 落下物固定装置．コイルの心棒がデシケーター内部に突き出て，金属片を貼りつけた落下物を吊り下げて固定する．
落下物が軽すぎると金属片の残留磁化や磁場の減衰時間も影響する．

写真５ デシケーター側面．搬入出用の手すりを製作している．ア
クリル筒の背景はカッティングシートを使用した．

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５―

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写真７ モンキーハンティング実験装置．ショーの演出上，標的と弾を大きく，射出距離を長くするために，大きな装置になった．ジオラマは天井吊り下げ，張り出した木の模型にコイルを設置して標的を吊り下げた．

写真８ 標的．実験名からサルの標的にこだわった．ゲームのキャラクターは人気を呼んだ．

写真９ 犬ランチャー．サルを撃つ装置．全体を犬の造形で覆い兵器らしく見えないようにした．

写真１０ 実験開始スイッチ．飛び出した弾が接点を開いて，サルを吊り下げていたコイルの電源を切る．物理的な接点なので接触不良が多かった．接点の下には，照準用のレーザーが取り付けてある．

写真１１ 無重力観察装置正面．３００ミリ立方の部屋を落下させる．
部屋には CCD カメラを取り付けて，モニターで拡大した映像も映し出した．下の天板には衝撃吸収シートとゴムシート，わたのクッションを設置して落下衝撃を吸収した．
実験は一瞬なので大半は見逃してしまう．実験後にあらかじめ撮影しておいた映像のスロー再生で検証した．

写真１２ 無重力観察装置側面．最上面の天板を固定するのは落下軌
道を直線にする４本の柱と背板である．やはり来館者の視線をあげるために背板を底上げして，部屋が落下する範囲を高くしている．

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久 松 洋 二

写真１３ CCD カメラ取り付け部．カメラを取り付けると多少ウエイトバランスが崩れる．部屋の中には高輝度発光ダイオードによる照明装置も取り付けた．

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