2011年
2月9日 ソーラーバルーンを 上げよう
‐‐‐ ソーラーバルーンを上げます。 熱気球の実験もします。 うまくあがったかな?‐‐‐ |
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うまく上がったかな?
今回は、ソーラーバルーンの実験です。 黒いゴミ袋等を使って大きな風船を作り、中に空気を入れて、 太陽光で暖めます。 中の空気が暖まると膨張し、風船の周囲の空気と比べて密度が下がるため、 風船は浮上します。 お天気に左右される実験ですが、お天気は大丈夫でしょうか。 また、あたたかい空気は軽いということも実感してもらうため、理科室で熱気球の実験も やってみることにしました。
・ 直接当日の様子を、すぐにご覧になりたい方は、こちら です。 (当日の様子にジャンプします。)
事前の準備です。
< ソーラーバルーンの準備です。> まず、ソーラーバルーンは、どのように用意しようかと思いました。 当初は、クラブのみんなで、 作ってもらおうと思っていました。 しかし、残りのクラブの回数は、2回だけなので、作製で1時限、 実際に上げるのに1時限を使うと、今年のクラブは終わってしまいます。それ以外に、空気の実験も 予定していたのですが、出来なくなってしまいます。 このため、管理人がソーラーバルーンを作る こととしました。 ( 子供に作らせないで、自分で作ってどうすんだ! と、お叱りを受けそうですが。・・・・ (^_^;) )
まずは、材料です。 ネットなどの情報をみますと、ゴミ袋から作製しても良いようですが、袋を切り開いたり、 接着する必要があるので、ゴミ袋ではなく、ホームセンターで販売されている、農業用の黒い ポリエチレン製のマルチシートを購入しました。 ( 畑の土にかけるシートです。) 幅が広い方が接着の回数が減るので、なるべく幅の広い物にしました。 ケーヨーD2柏松ヶ崎店で、幅135cm、長さ50m、厚さ0.02mmの物を購入しました。 ( ロイヤルホームセンター柏店よりも 幅が広いものを扱っていました。)
そして、設計です。 どのような形にしようかと考えました。ネットの情報をみてみると、 牛乳のテトラパック(正四面体)のように作ると、直線の接着だけで、簡単に大きなものが作れるようです。 大きければ大きいほど、気球内部と外部との温度差がわずかでも上昇するようです。 このため、 なるべく大きなものを作りたいと思いました。 他に、ネットで調べてみると、富士コスモサイエンスの「おひさま熱気球」という製品がありました。 長いチューブ状の袋で、つぶれた状態で、90cm×300cmあるそうです。 膨らました状態を 円柱と仮定して体積を求めてみます。 90cm×2=180cmで、丸く広げると周径180cmなので、 直径は 180cm÷3.14=57.3cmあるようです。 そうすると、半径は、57.3cm÷2=28.7cm です。円柱の体積の公式は、(半径)×(半径)×3.14×(高さ)なので、体積を求めると、 28.7×28.7×3.14×300=775915.98 立法cm = 約 0.776㎥ です。 この製品は、1〜2分日光に当てるだけで、浮くそうです。体積としてはそれほど大きくないですが、 細長いので効率的に暖まるのかもしれません。 これを参考に、円柱状のものを作製しようと 思いました。しかし、後にプラネタリウムのエアドームを作ろうと考えており、その練習も兼ねて 球形を作り出す練習もしてみたいと思ったので、熱気球の形としてみました。 大きさをどうするかです。ネットで調べると、 球形ですと、直径4m程度あれば、内部と外部の 気温差が8℃程度で上昇するそうです。直径4mというと、かなりの大きさです。体積は、33.5㎥も あります。こんなに大きいのは無理なので、(空気を入れるのに、クラブ前の準備時間のうちに 作業が終わるか不安でした。) とりあえず、直径約2.5mの半球の下に、逆さにした円錐が 下につくような形の熱気球型としました。高さは、4mとなります。
設計、製作の様子、上昇するための内外の気温差の考察などは、こちらのページです。 ( このページと重複部分があります。すいません。)
設計図に基づいて、マルチシートから、マルチシートを切りだします。 管理人の家は広くないので、長さ5mも入るスペースはありません。 リビング兼応接間の ソファーとテーブルをどかして、場所を作りましたが、3mがやっとでした。 このため、 上部の半球部と下の円錐部は折りたたみつつ、分けて切りだすこととしました。
マルチシートを、折り返しつつ、6枚重ねます。 そして、切り抜きます。 しかし、 ビニールが すべってずれてしまい、正確には切れません。 端もギザギザです。・・・
そして、なんとか切り出しました。
これらを、接着するのですが、テープで貼るとコストもかかり、重量も重くなるので、秘密兵器の シーラー(インパクトシーラー:熱を加えて圧着する機械)を使って接着していくこととしました。 ( プラネタリウムのエアドームを作るため、密かに購入していました。)
これで、熱を加えて、圧着していきます。 圧着する部分を重ねて挟み、、圧着します。 圧着する長さは・・・、 切り抜いた線の長さは、1枚の片側が、約5.2mで、これが6本あるので、 5.2m × 6 = 31.2m ありました。
完成は 夜になってしまいました。
布団乾燥機で、送風して膨らましてみました。
夜なので、分かりにくいですが、結構巨大です。 風が強く、風の影響を受けています。 大分、立ちあがってきました。
風に吹かれて、飛んで行きそうになったのですが、持つところがありません。 掴もうとしても、 膨らんだ状態では、全くつかむことができませんでした。さらに強い風が吹いてきて飛ばされたため、 慌てて抱きかかえて抑えたのですが、横にある植物の枯れ枝や、後方にあるアンテナで、穴が あいてしまいました。 ( 飛ばされそうになたので、抑えるのに夢中で、写真は撮れませんでした。)
とりあえず、わかる範囲は、テープで修復しました。 夜で暗くて見えなかったのと、 風が強かったので、作業が困難であったので、他にも穴があいていたようですが、 後日明るい所で、確認することとしました。・・・・
しかし、その後、クラブのある前日まで熱を出し、寝込んでしまったので、事前の穴の 確認、修復ができませんでした。
39度の熱が出てしまい、翌日、近医を受診しました。インフルエンザの検査を受けましたが、 陰性でした。 しかし、その後、消化器症状がでて、トイレと仲良しになりました。・・・・ 嘔吐は見られず、ノロウィルスでも無さそうでした。 何かのウィルス感染による 腸炎でしょうか? 管理人は胃腸が弱いです。 他の家族は、胃腸は丈夫です。 ちなみに、他の家族は誰一人として、発症していません。・・・・(^_^;)
クラブ当日には落ち着きました。
< 熱気球の実験の準備です。>
ソーラーバルーンの実験の前に、空気が暖まると膨張し、密度が薄くなるので軽くなり、 浮力を受けて上昇するという実験を体感してもらうため、準備をしました。 管理人が熱を出す前日夜に、準備をしていました。 100均の黒いゴミ袋を熱気球に 見立てて、上昇させる実験です。 ネットや本で見てみると、幾つか種類があるようです。 1. ゴミ袋の口に合うように、針金で輪を取り付け、さらに十字に針金を取り付けます。 十字の部分に綿をくくりつけ、そこにアルコールをしみ込ませます。袋をひっくり返し、 口を下にします。そしてアルコールのしみ込んだ綿に点火し、中の空気が暖まったら、 手を離すと上昇します。 熱源がアルコールの燃焼というだけで、外国の風燈(風灯) という、小さな熱気球を飛ばすようなお祭りと同じです。 2. 1.は熱源が気球に取り付けられていますが、熱源は気球に取り付けず、 熱源を下に置いたままで、加熱するタイプです。 1.は、熱源が燃焼し続けていると、 降りてこないですし、また、火がついたまま上昇するのは、小学生には安全上問題かと 思われたので、こちらとしました。 当所、熱源は、アルコールランプをお借りしようかとも 思いましたが、準備の迅速性もあり、結局、ロウソクとしました。 ロウソクは、100均の 物を利用しています。 ネットで調べると、5〜8本程度使用した方が、加熱が早いので 良く上がるようです。
ゴミ袋は、逆さにして、その中でロウソクに火を点けます。 加熱後に手を放し、上昇させても そのままですと、ゴミ袋のバランスが崩れ、温かい空気が外に出てしまい、浮遊が安定しない ようです。 ゴミ袋の口の部分に、重りとしてピアノ線をつけたり、付箋をつけたりすると 良いそうです。 今回は、100均の結束バンドを1/3〜1/4に細く切り、これを利用しました。
予備実験をしようと思ったのですが、上述の通り、熱を出し寝込んでしまったので、 予備実験が全くできませんでした。 ぶっつけ本番になってしまいました。・・・・
その後、クラブの前日まで管理人は熱を出し、寝込んでしまったので、ソーラーバルーンの 穴の確認、修復ができませんでした。 また、熱気球の予備実験もできませんでした。
クラブの日に、学校に持っていって確認すると、ソーラーバルーンは、案の定穴だらけでした。
お天気も雪の後で、安定しません。曇の切れ間から、少し太陽が顔を出す程度です。
早速、布団乾燥機で空気を送り込みました。 しかし、なかなか膨らみません。
あちこち穴だらけです。慌ててテープでふさぎました。 (ピンボケですが、穴が縦に並んでいます。) ( 先に出てきました通り、) 試験的に膨らませた際に、風が吹いて飛ばされそうになり、 抱きかかえて抑えました。 その時に、枯れ木やアンテナで、引っ掻いた穴が、まだたくさん 残っておりました。慌てて塞いだので、何か所あったか覚えていませんが、ごく小さい物まで 入れると数十か所はありました。 途中、セロテープが切れてしまい、予備のテープまで持ち出す 程でした。 (100均のビニールテープは、ほとんど接着せず、セロハンテープで接着しました。)
穴をふさいで膨らまし、(みどりの)広場に持って行きました。
広場に運んだ後も、穴が何か所も見つかり、修復しました。 椅子で係留しておきました。 日照はほとんどありませんが、少しは浮いています。 このときは、まだ内部にかなりの空気が入っています。
その後、室内での準備のため、この場所を離れました。
室内では、熱気球の実験のため、蒸発皿にろうそくを立てる作業をしました。 担当の先生にも手伝って頂きました。ありがとうございました。
その後、外の状況は。・・・・・ 日が照ってきて上昇したそうです。 また、風で吹かれてアンカーの椅子ごと流されたり、 低学年の子が触って上昇させた際に穴を開けてしまったり、・・・いろいろあったようです。 ( 触るな等の、張り紙はしていませんでした。・・・ 反省) 管理人は、室内の準備のため、 この場所を離れており、 詳細はわかりませんでした。 しかし、これを目撃してくだっさた先生が、 元の場所に戻したり、その後の状況を見にきた管理人に教えて下さいました。 ありがとうございました。 m ( _ _ ) m
興味深く近寄ってくる、低学年のみんな。 ひもが緩んで 百葉箱の方に流されています。
管理人が、再び広場に様子を見に戻ってくると、30cmぐらいの大きな穴が開いて、 着地していました。 (>_<) この時に、科学クラブの唯一の男子が、一人だけ外にいて、 穴の修復や興味を持って集まってくる低学年の児童達の対応を手伝ってくれました。 手伝ってくれて、とても助かりました。(こんな変な物見たことないから、みんな触りたくなっちゃうんですよね。・・・仕方ないです。 (^_^;) ) その手伝ってくれた児童が気づいたのですが、この穴から中を覗きこむと、穴から光が漏れてきて、 プラネタリウムのようできれいでした。また、穴の位置が良く分かります。 (「なるほど。」と思いました。) 小さな穴はテープでとめて、 大きな穴は、ひもでしばって閉じました。 この時点で、かなり空気は抜けてしまっていました。 空気を入れる布団乾燥機のある場所が、 広場から遠く、時間もないため、このまま、実験を継続しました。
日が照ってきました。 すると、どんどん上がって行きました。 ( 唯一のクラブの男子児童です。手伝ってくれました。)
当初は、理科室でやる熱気球の実験を先に予定していたので、順序が逆になりますが、 せっかくソーラーバルーンがあがったので、みんなを呼んできてもらいました。
一時、太陽が雲に隠れましたが、 日が照ってきてしばらくすると、どんどん上昇を始めました。
( 風にあおられたためもあると思いますが、) 紐にはかなりの力がかかっています。
どんどん上昇を続け、一時は、3階建ての校舎より高くあがりました。
しかし、太陽が雲ってしばらくすると、・・・・
下がってきてしまい、 ひもが木に絡んでしまいました。
なかなか取れません。
みんな心配そうに見守っています。
しばらくすると、また、太陽が照ったので、ちょっと上昇しました。 そして、たぐり寄せました。 なんとか取れました。
だいぶ空気が抜けてきました。また、太陽が雲に隠れて、降りてきてしまいました。
完全に着地してしまいました。
また、日が照ってきて、・・・
また、上昇を始めました。
上がったり、下りたり、上がったり、下りたり とても忙しいですね。・・・・ 太陽が顔を出したり、雲に隠れたりする忙しい天気でした。 ずっと晴れているよりは、 かえって日光が当たると上昇する、雲に隠れると下降する、ということが 体感してもらえたので良かったです。
順序が前後してしまいましたが、このあと理科室に戻りました。 話が、変わりますが、先々週にやった、尿素の結晶の花を咲かせる実験の結果です。
先々週の尿素の溶液を入れた後です。
これが、こうなりました。
溶液の入れ過ぎです! カップに書いた名前が分からなくなってしまいました。 このため、セットした時の写真から名前を読み取り、配置を確認しました。 ブラックライトも用意しました。
( でも、みんなのお家には、ブラックライトなんて ないですよね。・・・ )
尿素の花を持ち帰ってもらうための袋を配布し、しまってもらいました。 結晶の量は、かなりな量になると思いますので、お家に帰る際にくずれてしまったら、 お湯に溶かしてから、1滴の洗剤を加えて、再びやってもらうことにしました。 結晶の実験は、ここまでです。
そして、今週の実験、熱気球の実験に戻ります。
理科室の椅子を逆さまにして、蒸発皿にロウソクを立てて火を点けます。 切り裂いた結束用のテープを重りにして、袋の口に固定しています。100均のゴミ袋を逆さにして 椅子の足にかぶせます。 そして、すぐには浮かないように、手で押さえます。 しばらく、待ちます。 当所、各班にロウソクを5本ずつ立ていたのですが、暖まりにくいようだったので、 2〜3本追加し、計7〜8本としました。
途中、3年生のクラブ見学がありました。 ( 来年度は、科学クラブに入ってくれるかな? )
袋が、かなりパンパンにはってきました。
十分に、暖まったところで、手を離すと、・・・・
見事、浮かんで行きました。
他のテーブルも、見事浮かしていました。
なかには、下りてきた袋が、児童の頭にすっぽり、被ってしまうこともありました。 「暖かい、暖かい!」 と、叫んでいました。
今日の実験は、これでおしまいです。 来週は、いよいよ最後のクラブです。 みんな、風邪などひかないようにして下さいね。 また、 来週お会いしましょう!
( 反省点、感想 など) 1. 0.02mm厚のシートは、破れやすいと思った。 しかし、厚くすると重くなり、上がりにくくなる。 この辺のバランスをどこにとるか、難しいと思った。 同じ大きさのバルーンで、厚さを0.03mm(27.6g/u)とすると、15.8℃の内部の温度上昇が 必要であるが、この程度なら、可能であると思われた。 より厚くて丈夫な物も利用してみたい。 2. 最初に自宅で膨らませた際は、下部以外に紐は付けていなかった。このため、風に流されると、 全くコントロールが利かなかった。それにより、バルーンを破損している。 当日は、上部に1本の紐をつけ、係留をした。しかし、上部の1点では、風であちこちにたなびいて しまい、全く安定しなかった。 上部に3本の紐をつけ、3方向て固定しないと安定しないと思われた。 今後、係留するする際は、もっと多くのバラストや上部3方向以上のロープでの固定としたい。 また、低学年の子供たちが、興味を持って触ってしまったため、やはり誰か一人付いているか、 触るな等の張り紙をする必要があると思われた。 3. 製作の際、シーラーは、有効であると思われた。やはり、足踏み式の方が、両手が使えるので、 効率的に圧着できた。 4. 児童達は、自分たちで作りたいと言っていた。 やはり、児童に作らせるべきであると思われた。 5. 穴が完全に修復できず、穴の開いたまま上昇させている。かなり空気が漏れてしぼんできたが、 内部も1気圧なので、思ったより空気の漏れは無いようだった。 20〜30分は、多少の穴があっても 大丈夫なように感じた。 6. プローべ式の温度計を使って実際に内部の温度を測ったり、非接触式の温度計で表面の温度を測ったりして、 太陽の日射との関係を考察させたりしても良かったと思われた。 7. 同じ体積の形違いのバルーンを幾つか作り(球形、円柱形、正四面体 等 )、どれが上昇しやすいか 予想をたて、 実際の実験で比較し、なぜか考察させたりしても良いと思われた。(小学生では難しいか?) また、色違いのバルーンを作って、上昇の様子を比較しても良かった。 8. 天気は晴れたり曇ったりの繰り返しであった。 上昇が安定しないので、当初はもっと晴れてくれれば良いと思った。 しかし、結果的にはその方が、日射 -> しばらくして暖まる -> 上昇 -> 太陽が雲に入る -> しばらくして冷える -> 下降する -> また、日が照る -> しばらくして暖まる -> 上昇 -> また、太陽が雲に入る -> しばらくして冷える ->下降する ->・・・・の繰り返しで、日射と上昇の関係がよく体感出来たようだった。 9. 空気を入れる場所と、上げる場所は近い方が良いと思われた。 穴などで、空気が抜けるため、 すぐに空気が 入れられるように 機械のセットアップも必要であった。( 布団乾燥機は、そのままセットしていたが、 場所が離れていたため、対応できなかった。) また、空気を入れる穴が下部で、しっかり紐で結んでしまって いたため、ほどいたりするのが容易でなかった。 あたたかい空気は上昇するので、下部の口は塞がず、 開口した構造の気球でも良いと思われた。( ネットでは、そのような構造の気球を作製している先生がいらっしゃった。) その方が、空気が抜けた際に、開口部を風上に向け、風で内部に空気が送り込まれるので、送風機などは 不要なようだ。今後の改善点としたい。 10. 熱気球の実験は、当所5本のロウソクで施行したが、加熱が遅かった。途中で、2〜3本追加し、すぐに、 上昇するようになった。 7〜8本は必要なようだった。 11. 熱気球の実験も、プローべ式の温度計を用紙して、気球内部の温度を測ってみても良かったと思われた。 12. 各グループごとに、ロウソクの本数を変えて、点火から何秒後に上昇するか計測し、ロウソクの本数と 上昇の仕方の関連を調べるなどしても良かったと思われた。 また、熱源をアルコールランプにして、 ランプの個数での違いなど、予想をたてたり、実際にはどの程度のちがいがあるかなど、データを取っても 良かったと思われた。
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千葉県 柏市立富勢西小学校 科学クラブ 日記
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