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【京都市青少年科学センター】

自転車の車輪でジャイロの実験

 「ジャイロ」って聞いたことがありますか?コマの仲間なのですが、とてもふしぎな動きをするのです。今日は、自転車の車輪を使って「ジャイロ」を作ってみましょう。とても大きなジャイロができるのでダイナミックな実験ができます。

必要なもの

  • 自転車の車輪
    どんな大きさの車輪でも実験はできますが、幼児用などの小さいものはあまり実験に適しません。また、後輪よりも前輪を使うほうがいいです。なぜなら、後輪は自転車から取り外しにくいだけでなく、スプロケット(チェーンがかかっているところ)やドラムブレーキなどを取り外すのに専用の工具がいるからです。前輪ならスパナさえあれば簡単に取り外せます。
  • ペットボトル
    500mlのボトルを2本用意します。これは自転車の軸に取り付けてハンドル(手に持つところ)にします。
  • 回転するいす
    できるだけなめらかに回転するいすを用意します。


作ってみよう

 まずペットボトルのキャップに穴を開けます。穴の大きさは、車輪の軸が通るくらい(直径8㎜くらい)です。それをワッシャーとボルトで軸に固定します。このときに使うワッシャーやボルトは、自転車から取り外したときのものを使うとよいでしょう。(自転車用のボルトは一般のものと規格が違うので、ホームセンターなどで売っているボルトは使えません。ボルトをなくしたら自転車専門店で買います。)固定したキャップにボトルをねじ込んでできあがりです。左右同じようにペットボトルを取り付けます(図1、2、3参照)。できあがったものを「車輪ジャイロ」とよぶことにしましょう。


図1 取り外した車輪

図2 ペットボトルとワッシャー、ナット

図3 ハンドルを取り付けたところ


実験をしてみよう


  1. ジャイロをつるしてみると
    車輪ジャイロの片方のハンドル部(ペットボトルの口のあたり)をチェーンなどでつり下げ,もう片方は手で支えて軸を水平にしておきます。そのままの状態で手を離すと車輪ジャイロはぶらりと下に落ちますね。今度は,車輪ジャイロを回転させてから手を離してみます。
    すると・・・なんと車輪は落ちてこないのです。軸はほぼ水平を保ったまま,車輪全体がチェーンのまわりを回転しています。徐々に軸は傾いてきますが,まるで車輪が重力に逆らって浮いているようにも見えます。このような運動を「歳差運動(さいさうんどう)」といいます。重力によって軸の片方(チェーンでつられていない方)が下に引かれることによって,車輪全体がチェーンのまわりを回転するのです。この運動はジャイロの特徴の1つです。なお車輪を回す向きを逆にすると,チェーンのまわりを回る向きも逆になります。(図4参照)

    図4

  2. 車輪を持って回転いすに座ると・・?
    今度は車輪ジャイロのハンドルを両手で持って回転いすに座ります。回転いすはできるだけ滑らかに回るものを使います。座ったまま両足を浮かせ,そのまま車輪を左右に傾けてみました。特に何も変化はありません。今度は車輪ジャイロをできるだけ速く回してから,先ほどと同じように左右に傾けてみました。すると,先ほどまでの車輪がとても重く感じられて思い通りに動いてくれません。それどころかまるで別の生き物のように勝手な方向に動こうとします。さらに驚くことが起こります。なんと座っている自分自身が回転を始めてしまうのです。進行方向に車輪が回転しているとき,右に傾けると右に,左に傾けると左に回転します。車輪を逆に回転させておくと自分の回る向きも逆になります。実はこれも先ほどと同じ歳差運動なのです。(図5参照)

図5

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