小さな船の後ろにしょうのうを付けると、水面を進む実験があります。モーターも帆も見えないため、しょうのうが後ろへ気体を噴き出していると考えたくなるかもしれません。ここで注目するのは、水面の表面張力の違いです。しょうのうが広がった側と、まだ少ない側とで水面の性質が変わり、船に働く力がつり合わなくなります。実験をまねる手順ではなく、資料から原因を調べる題材として考えます。
後ろが押すのか、前後の引く力が違うのか
しょうのうは水面に広がり、表面張力を低下させます。後方の表面張力が小さく、前方が大きい配置なら、船は前方へ進むような力を受けます。前と後ろに矢印を描き、同じ長さか違う長さかを見ると説明しやすくなります。「何かを放出する道具だからロケットと同じ」と外見だけで結び付けず、どの場所からどんな力を受けるかを確かめましょう。
水面にしょうのうが広がるにつれ、力の差は変化します。船が減速しても、しょうのうが完全になくなったとは限りません。前方にも広がって差が小さくなった、容器の壁に近付いた、流れが変わったなど、複数の可能性があります。残った固体の量と水面の状態を別々に記録すれば、止まったという一つの結果から決めつけずにすみます。
例題1｜左右ではなく前後の差を計算する
模型で、前へ引く力が6単位、後ろへ引く力が4単位でした。他の力を無視すると、差し引きの力はどちらへ何単位ですか。しばらくして前が5、後ろが4.5になった場合も答えましょう。
答え・解説：最初は前へ6−4＝2単位、後では前へ5−4.5＝0.5単位です。どちらの時点も前方への差ですが、その大きさは四分の一になりました。前の力だけを比べて「6から5だから六分の五」とするのではなく、前後の差が駆動に関わるという模型条件を使います。
例題2｜水面の影響を調べる組合せ
同じ船と新品のしょうのうを用い、Aは新しい水、Bは別のしょうのう船を十分動かした後の水に置きました。最初の10秒の移動距離はAが30cm、Bが6cmでした。この資料で比較した主な条件と、それぞれの平均の速さを答えてください。
答え・解説：主な条件は水の使用履歴です。平均の速さはAが3cm毎秒、Bが0.6cm毎秒です。ただし距離が短いだけで「Bでは固体が溶けない」とまでは言えません。水面の張力の差が作られにくいという説明を検討するには、張力やしょうのうの広がりを別に調べる資料が役立ちます。
浮いていることと進むことを分ける
船が水に浮く条件と、水平に進む条件は同じではありません。浮力や水面の力が鉛直方向の重さとつり合っていても、前後に差がなければ一方向へ進むとは限りません。しょうのうを左右対称に置いた模型と、片側に寄せた模型を比較するなら、位置の非対称性が重要です。浮いたかどうかだけを結果欄に書いても、移動の原因を調べたことにはなりません。
円形の水槽で何周も動いたとき、スタートからゴールまでの直線距離は小さくても、実際に進んだ道の長さは大きくなります。平均の速さを求める資料では、どちらの距離が示されているかを確認します。同じ場所へ戻ったことを「移動距離ゼロ」として、船が動かなかったと説明するのは誤りです。軌跡を時間ごとに点で示す図なら、点の間隔も手掛かりになります。
しょうのうの運動には、水面への広がり、溶解、蒸発、周囲の流れが関係します。すべてを一つの単純な式に押し込まず、問題文が残している条件を使うことが大切です。新しい水に替えて再び動いたなら、水側の条件が関係する証拠にはなりますが、ほかの原因が全くないことの証明ではありません。止まった船を見て最初に「燃料切れ」と答える前に、船そのものと周囲の水を二つの箱に分けて考えましょう。
速さが一定でも、駆動する力は消えていない
船が一定の速さで進んでいる区間では、前向きの駆動作用と水などから受ける抵抗がつり合っていると考える模型があります。一定速度だから前後の表面張力が完全に同じになった、とは限りません。抵抗を無視した例題の図と、実際に水上を進む船の図では、残している力の種類が違います。力の差がある模型から、速度そのものが何cm毎秒になるかを決めるには、抵抗との関係など別の情報が必要です。
しょうのうを船の中央に置いた模型でも、左右へ広がる条件が少し違えば、向きが変わる可能性があります。左右対称に描いた設計図と、実際の濃度分布が完全に対称であることは別です。容器の微かな傾きや水の流れ、壁との距離も影響し得るため、一回だけ右へ曲がった結果を「しょうのうには右へ動く性質がある」と説明してはいけません。向きを変えて置き直す比較は、船の形と部屋の方向のどちらに依存するかを調べる手掛かりになります。
小さな船と大きな船を同じ固体の量で動かした場合、動きの差には水に触れる範囲や抵抗の違いも含まれます。しょうのうの質量だけそろえたから完全な比較実験になった、と考えないようにします。何を知りたいかが船の形の効果なら形以外をそろえ、しょうのうの量の効果なら同じ船を使うなど、比較の目的を先に定めます。
温度を変える実験でも、水の粘りやしょうのうの広がり方などが同時に変わり得ます。温めた水で速く進んだから、表面張力の差が何倍になったと速度比だけから言うことはできません。この記事の力の計算と移動速度の計算を、根拠のない比例で結ばないことが大切です。別々に測った量を、どの規則でつなぐのかを言葉で説明してから式にします。
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