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引力は科学で説明できない！？

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引力は科学で説明できない！？

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引力がなぜあるのかということは、地球上のだれに聞いても満足な答えが返ってこないでしょう。しかも、この問題は当分は解明（かいめい）できないような大問題です。わかっているのは、引力という力がこの宇宙には存在するということだけなのです。この宇宙には引力という力があるということを、あたりまえのこととして、受け入れるしかありません。

この引力を最初に発見したのは、イギリスのニュートンで、彼は、リンゴが木から落ちるのを見て、リンゴは地球に引っぱられて落ちた、つまり地球は引力をもっていることを発見したといわれています。
引力は、別に地球だけにあるものではありません。一般に物と物の間には常にたがいにひきつけあう力、つまり引力が働いているのです。
引力とにた言葉に重力というのがありますが、これは地球上のものが受ける力のことです。地球は自転をしていますから、地球上にあるものは、地球の引力で引っぱられるだけではなく、地球の回転によって生じる力もかかっているのです。この地球の引力と自転によっておこる力をあわせた力を重力とよんでいます。引力と重力は混同（こんどう）して使われることがよくありますが、このような区別があります。

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引力、重力はなぜあるの | 自然 | 科学なぜなぜ110番 | 科学 | 学研キッズネット

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引力がなぜあるのかということは、地球上のだれに聞いても満足な答えが返ってこないでしょう。しかも、この問題は当分は解明（かいめい）できないような大問題です。わかっているのは、引力という力がこの宇宙には存在するということだけなのです。この宇宙には引力という力があるということを、あたりまえのこととして、受け入れるしかありません。 ...

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コントローラーをつくってまなぶ

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コントローラーをつくってまなぶ

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プログラミングでものの動かしかがわかればもっと面白いしかけが作れるかも！

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電熱カッターの使い方を覚えると、いろんなしかけをきれいに作れるかも！

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板の外までつなげちゃおう！

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板の外までつなげちゃおう！

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どうしてフックの顔がわからない？

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ホーム > 科学のお話 > ロバート・フックを知っていますか

科学のお話

ロバート・フックを知っていますか

中学校になると、理科は教科書がⅠ分野（物理・化学分野）とⅡ分野（生物・地学分野）に分かれますが、その両方の教科書に出てくる科学者といえば誰を思い浮かべますか。
ガリレオガリレイやニュートンは物理分野と地学（天文）分野で登場しますが、宇宙物理学という分野があるくらいですから、全く違う分野の業績ではありませんね。

実は物理学と生物学といった、まったく違った二つの分野で教科書に登場してくる科学者がいます。それが１７世紀のイギリスを代表する科学者、ロバート・フックです。

中学校１年生では、バネにおもりをぶらさげていくと、その重さに比例してバネが伸びることを学習します。これがフックが１６６０年に発見した『弾性に関する法則（別名フックの法則）』です。
この研究の成果として、ぜんまいばねを使った携帯型の時計が開発されるようになりました。

また、中学校２年生では、タマネギの表皮などを使って細胞を観察します。この細胞を最初に顕微鏡で観察したのもフックです。
彼は当時発明されたばかりの顕微鏡でコルクの切片を観察し、小さな部屋が多数あるのを発見し、これをcell（小部屋の意味）と名付けました。正確には彼が観察したのは死んだ細胞の細胞壁ですが、これが生命の最小単位である細胞の最初の観察とされています。

（フックが使った顕微鏡） →

（フックが描いた細胞のスケッチ） →

これ以外に、化学者ロバート・ボイルの助手として真空ポンプの製作をしたり、望遠鏡を作って火星や木星が自転していることを観察したり、化石を研究して進化論を唱えたり、光の屈折について研究したりと、フックの活動の範囲は多岐にわたっています。
建築家としても有名で、またロンドン大火のときには、焼け跡のほぼ半分を測量し、復興計画にも携わりました。
その活動範囲の広さから、彼のことを『ロンドンのレオナルド（レオナルド・ダ・ビンチ）』と評する歴史家もいたほどです。

こんなにすごい業績を残したフックが意外に知られていないのは、ニュートンと仲が悪かったからだとされています。彼はニュートンとしばしば研究業績に関して論争をしています。
その結果、フックの死後、イギリス王立協会会長となったニュートンが彼の業績を隠そうとしたと言われています。そのため、フックの唯一の肖像画も破棄されてしまいました。だから、現在フックの肖像画は伝わっていません。

現在のノーベル賞を受賞されるような科学者の方々は、人格的にも大変優れた方ばかりですが、当時の偉大な科学者は、ケンカをしたり、腹いせをしたりと、意外に人間臭い部分があって面白いですね。
みなさんも、有名な科学者の科学的な業績だけでなく、その人となりに注目してみてはいかがですか。

（フックのライバル　ニュートン）

※画像はウィキペディア・コモンズより引用しました。

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ロバート・フックを知っていますか ：広島市こども文化科学館

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ホーム > 科学のお話 > ロバート・フックを知っていますか 中学校になると、理科は教科書がⅠ分野（物理・化学分野）とⅡ分野（生物・地学分野）に分かれますが、その両方の教科書に出てくる科学者といえば誰を思い浮かべますか。 ガリレオガリレイやニュートンは物理分野と地学（天文）分野で登場しますが、宇宙物理学という分野があるくらいですから、全く違う分野の業績ではありませんね。 ...

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ジェットコースターは位置エネルギーで動いている！？

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ジェットコースターが省エネで猛スピードを出す方法

遊園地などで多くの人々を楽しませるジェットコースター。富士急ハイランドのFUJIYAMAやド・ドドンパ、ナガシマスパーランドのスチールドラゴン2000、ユニバーサル・スタジオ・ジャパン TMのハリウッド・ドリーム・ザ・ライドにザ・フライング・ダイナソーなど、その様相は実にさまざまだ。しかし、「仕組みは非常にシンプル」と、東京大学生産技術研究所で車両制御動力学を研究する須田義大教授は語る。

「基本的にジェットコースターを走らせる動力装置は、人々が乗り込むキャビンには付いておらず、レール側に付いています。大抵はまず地上にあるモーターを駆動させ、ロープやチェーンによってキャビンを高いところまで持ち上げていく。そうして、一番高い地点から自由落下で降りてくると、最初に与えられた位置エネルギー（ある位置にあることで物体に蓄えられるエネルギー）をうまく活用して終点まで進むという仕組みです。

どんなジェットコースターもこの原理は同じで、レールを左右下の3方向から車輪ががっちりと押さえながら滑るように走行しています。レールの途中にはいくつもの山と谷、カーブがありますが、位置エネルギーは山を越えたりカーブを曲がったりするための運動エネルギーに変換されます。そのため、走行中は基本的にエネルギーを供給する必要がありません。ジェットコースターは、今風に言えばある種の"自動運転"と言えますね」

東京大学生産技術研究所の千葉実験所長を務める須田義大教授。よりスリルのあるジェットコースターを造るためのアイデアを持っているそう

位置エネルギーの大きさは高さに比例する。つまり、多くのジェットコースターでおなじみの、最初にゆっくりと高度を上げていくという趣向は、ジェットコースターそのものの推進力となる位置エネルギーを確保するために必要な工程だったのだ。

また、ゆっくりと進んでいくのは、スリルの演出であると同時に、物体を速く動かすのに比べ、遅く移動させる方がエネルギーの消費が少ないという理由もある。「ゆっくりと持ち上げて一気に下ろす」のが、一番エネルギー効率のいいスタイルということである。

空高く持ち上げられた物体を離せば、当然その物体は地面に向かって落ちていく。そのため、最初の勾配を越えたジェットコースターは、空気抵抗や車輪にかかる摩擦抵抗を受けながら、敷かれたレールに沿って少しずつエネルギーを消費してゴールまで駆け抜けていく。

コース設計やキャビンの重さにもよるが、最初に頂点に達した際の位置エネルギーは、走行距離に応じてエネルギーを消費し、最終的にゴールに到着するころにはほとんど残っておらず、乗降場にあるブレーキで止まるのだ。

動力を持たないだけに、重さが増えればスピードも上がりそうだが、ジェットコースターは1人で乗っても大勢で乗っても、その速度が大きく変わることはない。というのも、ガリレオ・ガリレイによる物体落下の実験（ピサの斜塔から重さの異なる物体を落下させる実験※実験の実施については諸説あり）で有名なように、自由落下における速度は質量の影響を受けないからだ。もちろん搭乗する人数によって摩擦や空気抵抗は変わってくるが、いずれも最後のブレーキで調整できるレベルなのだという。

ジェットコースターにエネルギーを追加すればスリルは倍増

一方、近年では海外を中心に、ジェットコースターの原理に手を加えたさまざまな形式のマシンが散見されるという。

「位置エネルギーを変換する仕組みでは、どうしても途中で減速してしまいます。そのため、長い距離を速く走らせようとすると、初動の位置をかなり高くするか途中でエネルギーを加えてやらないといけません。

これに対応して、アメリカやヨーロッパでは、発車時に空気圧の力でカタパルト（射出機）のようにキャビンを押し出すジェットコースターがありますし、レール側に電流を流すリニアモーターを作って、コースの途中で加速するものも登場してきています。位置エネルギーだけを比べれば、それ以上の距離とスピードが出せるでしょう。

スリルだけで言えば、日本でもおなじみですが、普通にキャビンに乗るのではなく、ぶら下がったり後ろを向いて座ったり。エンターテインメント性を高めた工夫はいろいろありますね」

須田教授によれば、ぶら下がるなど普通に座らない形のジェットコースターの場合、人体にかかる空気抵抗は大きくなり、乗客が感じる恐怖やスリルは変わってくるものの、エネルギーの観点からは一般的なものと大きな違いはないとのこと。

「国内で一番エネルギー効率が良いジェットコースターはどれか？」という質問をぶつけてみると、須田教授は悩みながら答える。

「さまざまなスタイルのジェットコースターがあるので、一概には言えませんが......ただ、『スチールドラゴン2000』（ナガシマスパーランド）は最高部の高さが日本一の97m、走路全長は世界一となる2479mだそうです。長く走行できるということは、それだけ最初に得た位置エネルギーをうまく推進力に変えて進んでいることとなります。そういった意味では、かなりエネルギー効率が良いと言えるかもしれません」

ジェットコースターを応用した公共交通「エコライド」

ここまでで分かったように、仕組みとしては意外とシンプルなジェットコースター。実はアミューズメントの世界だけでなく、この原理を利用した新たな公共交通システムが実現するかもしれない。

「エコライド」と呼ばれるこのシステムは、10km圏内をめどにレールを張り巡らせ、位置エネルギーによって車両を動かして運用する"ミニ環状線型ジェットコースター"だ。須田教授はその第一人者として、アミューズメント施設のアトラクションを製作する泉陽興業と共に、目下実用化に向けて研究を続けている。

エコライドのメリットについて、須田教授は次のように話す。

「レールを敷いた軌道系の交通システムというのは、専用の軌道を確保しているため、車などと比べると時間通りの運行が可能で、安全面でも非常にメリットがあります。

エコライドで使う動力は位置エネルギーなので、車両に推進力を得るためのモーターを搭載する必要がない。そうすると、車両自体の重量も減り、レールも非常にシンプルなもので済みます。コントロールシステムも、地上にオペレーターが最低1人いれば問題ありません。つまり、エコライドは位置エネルギーを利用して動く、非常に省エネでコストダウンされた交通システムになるのです」

現在、学園都市のほか、大規模開発や再開発を行っている地域が実用化の候補地として挙がっている。また、中国をはじめとした海外からも相当数のオファーがあったそうだ。

しかし、大きな課題もある。「電車などを見ても分かる通り、通常であれば軌道系交通システムを造るには莫大なインフラ投資と建設に対するコンセンサスが必要」と須田教授も言うように、通常の鉄道に比べれば低コストとはいえ、イニシャルコストは膨大だ。

須田教授の研究室には、自動車やオートバイ、トラック、鉄道、バス、飛行機に至るまで、膨大な乗り物の資料が本棚に並ぶ

それでも省エネルギーで近場をスムーズにつなぐ"街中ジェットコースター"の魅力は失われていない。少子高齢化が叫ばれる日本でも、自動車を運転できない層からの需要は高まってくるのではないだろうか。

須田教授によれば、「安全基準の素案もできており、実用化まではあと一歩」というエコライド。新たな交通システムとして、今後の展開にも注目したい。

text：須賀原みち photo：後藤秀二

須田義大

すだ・よしひろ●1959年7月6日生まれ、東京都出身。1987年、東京大学大学院博士課程（産業機械工学）修了。法政大学助教授、カナダ・クイーンズ大学客員助教授などを経て、2000年より東京大学教授。生産技術研究所千葉実験所長・次世代モビリティ研究センター長を経て、モビリティ・イノベーション連携研究機構長。鉄道車両工学、自動車工学、ITS(高度道路交通システム)、人間工学・快適性評価など幅広い研究に従事。ジェットコースターなどを造る泉陽興業株式会社と共同でエコライドの開発を行っている。

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実は超省エネマシン！ジェットコースターが秘めたポテンシャル | EMIRA

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遊園地などで多くの人々を楽しませるジェットコースター。富士急ハイランドのFUJIYAMAやド・ドドンパ、ナガシマスパーランドのスチールドラゴン2000、ユニバーサル・スタジオ・ジャパン TMのハリウッド・ドリーム・ザ・ライドにザ・フライング・ダイナソーなど、その様相は実にさまざまだ。しかし、「仕組みは非常にシンプル」と、東京大学生産技術研究所で車両制御動力学を研究する須田義大教授は語る。 ...

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ビー玉が外に飛び出してしまう

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ビー玉が外に飛び出してしまう