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2016年8月 8日 (月)

サイエンスボランティア活動 コズミックカレッジ(宇宙授業)

8月6、7日(土、日)晴れ&晴れ

サイエンスボランティア活動 コズミックカレッジ(宇宙授業)
~飛行機編:飛行機はなぜ飛ぶか?

毎年夏休みの時期に成るとやってきます、宇宙に興味がある子供たち向けの宇宙授業・コズミックカレッジがここ旭川でも2日間開けれます。
今年も私は飛行機編を担当します。いつもは初日でしたが今年は逆転し2日目と成りました。
1日目はロケット編のお手伝いをします。

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日本モデルロケット協会認定の本格的火薬エンジンのロケットです。
他の地域でのコズミックカレッジは水ロケットで授業を行っていますが、ここ旭川ではより本物に近い火薬ロケットなので基調な存在と思います。
そして費用を抑えるためメイン講師のアイディアでエンジン以外はすべて手作りです。
さすがKさん 

ロケット工学を勉強した後はいよいよモデルロケットの製作に取り掛かります。
紙筒に安定板のフィンの取り付け 回収装置の製作 重心位置の調整 スイングテスト
着々と進んでいます。
午後に成り、ボランティア研修中の大学生も特別参加しましたので、それぞれ子供たちに追いつくため大急ぎで予備のロケットを製作します。

結局、子供たちが先に完成しましたので、先発隊と居残り組の二手に分かれて最後の追い込み。
私は居残り組の指導に当たりました。
30分遅れで完成。急いで屋外の広場にいきます。
打ち上げが始まる直前で セーフ!

今日の参加者の子供たち自身で一人ひとり 打ち上げていきます。

「打ち上げ準備よし」
周囲や上空を確認し 「低空飛行物体なし」
「カウントダウン 5・4・3・2・1・点火!」

シュ~っと煙を噴いたかと思えば勢いよく上昇していきます。
わあ~ 周りから歓声が上がります。
どんどん小さく成っていきます。
間もなくするとパンと逆噴射の音がしてパラシュート代わりのリボンをなびかせながらゆっくりと落下してきます。
落下地点を確認してから、急がずに確実に安全装置のピンを発射台に戻し、回収に向かいます。

無事回収

でも2機が立木の枝に引っかかってしまい、簡単に取れません。
すべて打ち上げが終わったから回収するしかないと、あきらめていたら館長さんが梯子と竹ぼうきを持って現われ、無事回収できました。
ありがとうございます。大変助かりました。
お蔭さまで全員が自分の作ったロケットで3回づつの打ち上げができました。

回収できなかった時のための予備機の出番がなくなりましたが、折角だから特別参加の大学生も各々打ち上げて貰いました。
「人生初めての経験!」 何んて叫んでましたね
文系の先生の卵の学生さんも理科好きな子供達の気持ちが分かったのではないでしょうか?
専攻を理系に変更しませんか? 

1目は無事終了

一夜明け準備があるので少し早めに科学館に向かいます。
出し物は昨年よりレベルアップし2016年度版として少し工夫を凝らしましたので、少し小道具が増えてしまいました。駐車場と会場を3往復して搬入完了です。

サブタイトルは”飛行機はなぜ飛ぶか?”

飛行機が飛びたいから飛ぶのではなく どうして飛べるのか?の疑問に答える形式で勉強していきます。
対象はいつも科学館に遊びに来る小学4年生以上から中学生向けです。

参加者の中には昨日のロケット編も受けた子が2人 昨年も参加したリピーターも2人 そして今日は引率の父兄の人も多いですね。

いよいよ授業開始です。

専門用語をできるだけ使わず、如何に分かり易く伝えるか! でも大人も楽しめるようにひと工夫します。

クイズ

02webjpg

飛行機が飛ぶためにまず大切なものを知ってもらうためのクイズ
まず空気の存在 次に風や速度の必要性

そして一番の要素が”揚力”です。
形を変えてベルヌーイの定理を伝えていきます。

まずは最初の実験です。

03p1040987

薄い用紙を半分に山折りにします。この中にふっと吹いてみると不思議 山が下に下がります。

次には二つ並べた風船を取り出し、風船の間にもふっと 吹いてみます。

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風船が吸い寄せられくっついてしまいます。先ほどよりはっきり分かりね。

第3の実験は今度は用紙の端のを少しだけ曲げて定規などで固定すると何となく翼の形に似て来ました。

05p1040985

この上を強く吹いてください。 すると上の方に紙が持ち上がっていきます。

どれも速度の違いがあると速い方に吸い寄せられれていきます。
はい! これが揚力です。

飛行機の翼ではしたを流れる風より上の風が速いので揚力が生まれ、これを利用して飛行機は揚がっていきます。

次はこの揚力ってどれ位の力があるのか考えましょう。

皆さんがこれから作るゴム動力飛行機と翼の形が似ているので、実機ではこの機体を選びました。
70年以上も前の 0式戦闘機です。この動画を見てみましょう。

さて、今見た0戦は重量2,500kg 翼の長さが12m 翼面積は22平方m 時速360kmで飛びます。
計算ではこの機体には約12,000kgfの揚力が発生する事に成ります。

L=1/2ρV~2SCL (ただし ρ:1.3  CL:0.9)

これをモデルとして10分の1の模型を作ったとして比較してみましょう。
すると、重量250kg 翼の長さ 1.2m 翼面積0.22 時速36km 
ここで揚力の計算をしてみますと L=1.2kgf 
なんと1万分の1に成ってしまいました。
だから重量を1kg以下にするか、飛行速度を2倍ぐらいにしないと充分浮かばないことが分かります。

ここが模型と実機の大きな違いで 模型はめちゃくちゃ軽く作らないといけない理由が分かると思います。
これが模型と実機の大きな違いであり模型の難しさですが、少しでも主翼の面積が大きいとそれだけ揚力が増すことがお分かりでしょうか?

次は安定性の話です。
重心位置・尾翼の役目・上半角による横安定性などなど

休憩時間にリピーターの子供たちから質問が出ましたので、実は模型が難しいのはもう一つあります。
それは レイノルズ数(寸法効果)なんですよ。 風洞実験で小型にした模型でいろいろシミュレーションしますが、ここでは小型にする事で実物と違うデータが出てきます。これも無視できません。
この寸法効果の影響で小形模型はより厳しい環境に成ります。
ドロドロした空気の中を飛ぶことを想像してください。
”大きいとさらさら 小さいとドロドロ”
少しは分かったかな?
興味を持ってくれることは本当に嬉しいです。
”興味は最大の武器”なんてことわざあったような??
どんどん先に進んでほしいです。将来は宇宙航空技術の道に進むのかな?

今日は午後3時ごろから風が強くなる予報で、ゴム動力飛行機には少し辛い状況ですので、すこし製作を急ぎましょう。

では、製作に取り掛かります。
今日参加されている皆さんは器用な人たちが多いですね。
サクサクと作業が進んでいきます。
準備したキットの精度が年々落ちておりますが、そこはベテランのサブ講師。
現場で改良しながら進めていきます。
”左右均等にバランス良く” 
組み上がったところで紙を貼り、重心位置の確認。そして主翼を仮止め  

予定通り3時少し前には完成しました。
昨日と同じ広場に移動して、初飛行です。
最初に手投げテスト それぞれ飛び方に合わせて重心位置をずらして主翼を本止めします。
機首が軽い人は主翼を後ろに下げてください。反対に重い人は主翼を前にずらしてください。

まずはゴムを半分ほど巻いてテストフライト

飛んだ!飛んだ! 歓声が上がっています。
うまくいった人はゴムを全部巻いて思い存分飛ばしてください。


そろそろ終わりにして教室に戻ろうとしたら、「もっと飛ばしたい!」
いや~ いいですね もう夢中!
では10分延長 

教室に戻って オプション授業 私からのプレゼントです。
”ミウラ折り”に挑戦です。

JAXAのミウラ教授が考案した折り方
人工衛星の太陽電池パネルを小さく折りたたんで打ち上げ 宇宙で大きく展開するとに応用されているようです。また大きな図面を持ち歩き 素早く開くときには有効な折り方です。

うまくできたかな 出来なかった人はお父さん・お母さんと一緒にチャレンジしてみてください。

また、来年もやります。待っていますよ。

殆ど写真を撮れませんでしたし、今回新たに作成した小道具は、撤収の時解体してしまい証拠写真がありません。あしからず

でも、自分も充分に楽しめた熱い二日間でした。

↓また来年もやります。次回向けのアイディアが一つ浮かんできました! 

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コメント

diamondtuba姐さんへ
長文を最後まで読んでいただきありがとうございます
飛行機の理論が少しはご理解いただけましたでしょうか?
ボランティアの仲間からはこの様に難しいことを教える必要ないとも言われていますが、難しくても避けて通れない理論なので毎年この揚力を繰り返し説明しています
受講した子供たちが何年いや何十年後かに今回の講義の内容を思い出してくればそれで良いと思っているところです。

投稿: けいあん | 2016年8月15日 (月) 21時34分

こんにちは♪
“飛行機はなぜ飛ぶか? クイズ”
実験しながら学ぶと楽しく理解できますねsign01
アタシにも理解できそうな気がしました(^^ゞ
0戦の実機と模型では小型化しても揚力に違いが出る???
単純に考えて、ラジコン機を飛ばすのは大変なんですね。
機体は軽く、スピードはアップしないと飛ばせないことになりますよね。

興味ある授業の構成に工夫され、分かりやすく教える難しさもおありでしょうけど、リピーターのお子さんも参加して、真剣に取り組んでいる様子が分かりました。
講師冥利に尽きますねgood

投稿: tuba姐 | 2016年8月15日 (月) 13時38分

diamondアンコウさんへ
Commentありがとうございます
SELの大先輩を前にして大変恐縮しています
電子レンジのオーロラも単極モーターも私、大好きな物の一つです。
特にオーロラは機会があればやってみたいなと思っているんですよ。
ただ電気は得意なんですが天文の知識が乏しいのでアンコウさんのような人とコラボできれば最高ですね

投稿: けいあん | 2016年8月 9日 (火) 08時44分

こんばんは。
小生もコズミックカレッジに参加したことがあります。
一応、JAXAのSELになっていますので。
 小生の時は、電子レンジでオーロラを作ったり、
単極モーターを作ったり・・・でした。

投稿: アンコウさん | 2016年8月 9日 (火) 01時44分

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