質問: ブランコについての質問です。 夏休みの課題で次のことを説明する課題が出ました。 慣性の法則からすると、ブランコでは、乗っている人もひとつの物体とすると、「外から押してもらわない限り、止まっているブランコは揺れ始めないし、動いているブランコもその振幅を増加させることはできない。」ということになってしまいますが、実際には止まった状態から漕ぎ出すことはできるし、振幅を大きくすることもできます。 そして、ブランコのように外から力を作用させずに内力だけで振幅が少しずつ大きくなる振り子を作る課題が出たんですが、何か良い案がないでしょうか。ありましたら回答よろしくお願いします。
回答: 揺れているブランコはだまっていると空気抵抗や軸受けの摩擦などでエネルギーを失い止まってしまいます。 揺れ続けるためには何らかの形でエネルギーを供給しなくてはなりません。 ブランコのエネルギーを見てみると、最上点では位置エネルギーが最大で運動エネルギーはゼロです。 一方、最下点では位置エネルギーが最小で運動エネルギーは最大になります。 このようにブランコは位置エネルギーと運動エネルギーの間でエネルギーのやり取りをして振動しています。 ブランコをこぐ動作はブランコにエネルギーを与える動作です。 それは次のように行われます。 最下点で立ち上がって重心を上に移動します。 これにより位置エネルギーを加える事が出来ます。(運動エネルギーは変化しない) 最上点ではしゃがみますがこの時は重力が仕事をします。 この動作を見ると振り子の一往復の間に重心の変化が2度起きる事が分かります。 振り子(ブランコ)の周期は支点と重り(重心)を結ぶヒモの長さで決まりますが、周期を決めるような要素の事をパラメータと呼びます。 パラメータを変化させることで振動を持続(又は増大)させることを「パラメータ共振」と言います。 振り子の周期に合わせて重心を2回上下させれば良いんですね。 ただし、初めに揺れていないとその場で屈伸運動をするだけになっちゃいますけど。 止まっているブランコをこぐのが難しい理由です。 「ブランコ パラメータ共振」で検索すると色々出てきますが、初めから見てしまうと面白くありません。 独創的なアイデアを考えてください。