第47回入賞作品 中学校の部
1等賞

水の音って何の音?Part2 水滴が作る泡と音を科学する

1等賞

島根県出雲市立河南中学校1年
田原 弘規
  • 島根県出雲市立河南中学校1年
    田原 弘規
  • 第47回入賞作品
    中学校の部
    1等賞

    1等賞

研究のきっかけ

 家ではお風呂当番だ。毎日、お風呂を洗ってお湯を入れる。入れるとジョボジョボジョボと、お湯がたまり始める。でも、お湯の水位が上がってくると、だんだん静かになる。不思議だ。水の音はどんな時に、どこからするのか調べようと、研究を始めた。

前回の研究でわかったこと
泡が出るときに水の音がしている。水道の水は連続して流れていたのに、撮影した写真では「しずく」で落ちていた。
水の音は泡の音。海の波、川の上流など水の音がする時は必ず泡があり、湖や川の下流など、音がしない時には泡がない。
泡を出さずに水の音を出すことはできない。
水が流れる透明ホースをモンキーレンチではさむと、水道と同じシャーッという音がし、泡ができていた。水道の音も泡の音だ。
コンプレッサーでいろいろな泡を作ると、大きな泡は低い音、小さな泡は高い音を出す。
今回の研究

「水滴の作る音が、水の音の基本」と考え、さらに研究を深める。今回は、1秒間に120コマ(240フィールド/秒)の高速撮影できる新型ハイビジョン・デジタルビデオカメラと、超指向性録音が可能なハイビジョン・デジタルビデオカメラを用意し、水滴落下と音の発生の様子を同時撮影する。これらの映像と音声をパソコン上でずれなく重ね、状態の変化を観察する。

実験1

水滴の大きさ、落とす高さと水の音との関係を調べる。

《方法》

ろうと、ピペット、三叉分岐で水滴を落とす装置を作る。水滴落下の円錐型ノズルは3種類(小:内径1mm、中:3mm、大:5mm)、落下の高さは5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cmとした。

《結果と考察》

水滴が大きいほど、さらに、落とす高さが高ければ音が出やすいというわけではない。水滴が落下すると、水面下に「出雲ドーム」をひっくり返したようなくぼみができ、それが平らになって、今度は水面上に水柱が上がる。水柱の頭部はちぎれて水玉が上に飛び出し、ある時はちぎれないまま、こけし状の水柱を作る。そして水柱は真下に崩れるように、下がっていく。音の出るタイミングは、水柱が下がって、水中に泡が打ち出された時だった。これを「水柱音」と名付ける。

実験2

円錐型のノズルと円柱状のガラス管とでは水滴が落ちる様子が違うのではないかと思い、ガラス管を使い観察する。

《方法》

内径5mmのガラス管から、高さ1cmから30cmまで、1cm単位で変化させて落下させる。音の波形、振動数も調べる。

《結果と考察》

水滴落下で、音の出るタイミングは2回あった。1つは実験1と同じく水柱が下に崩れ落ちる時(水柱音)、もう1つはその前、水滴が落ちた時に水面下にドーム状のくぼみができ、それが元に戻る時に下向きに泡がちぎれて音がする(これを「ドーム音」と名付ける)。 水の音をよく「チャッポーン」と表現するが、「チャッ」がドーム音で、「ポーン」が水柱音なのだ。 波形をみると、ドーム音は最初に大きくふれて、その後急速に小さくなった。水柱音の波形は2つに分かれることがある。1つは水柱が落ちてきた時に泡が2個以上できた時、もう1つは、水柱がなくなった後でもう一度水柱が上がり、それが下がって再び泡ができた時だ。1つの水柱で泡が2個以上できた時は、波形が2つ出現したり、重なったりする。また、大きな泡ができて変形を繰り返すと、波形はすぐには小さくならない。音の高低と水滴を落とす高さには関係がない。ドーム音も水柱音も、泡が大きくなるほど振動数が小さく(音が低く)なる。

実験3

水滴の形をビデオカメラで撮影し、音の出方との関係を調べる。
シャッタースピードは1/10000秒。

《結果と考察》

水滴は、縦長になったり、丸くなったり、丸みのある三角おむすび型になったりと、変形を繰り返しながら落ちている。変形のどの時点で着水するかということで、音が出やすい高さ、出にくい高さがあるようだ。三角おむすび型の底辺が少し丸みを帯びている時が一番音が出やすかった。縦長のだ円球の時には音が出にくかった。水滴が衝突する面積が大きいほど、音が出やすいといえる。

実験4

水滴が平べったいところから落ちると音が出やすく、先がとがったものから落ちると音は出にくい。それを確かめるため、鉛筆の削った先から落ちる時と、鉛筆の反対側から落ちる時の水滴の違いを観察する。

《結果と考察》

鉛筆のとがった方からは水滴が1滴ずつ順番に落ちた。反対側の平たい方からは、大きな水滴(第1水滴)の後に小さな水滴(第2水滴)が、1セットとなって続いて落ちていた。実験2のガラス管を再度観察すると「ドーム音」は2つに分類できる。

【ドーム音パターン1】 ガラス管が低い位置(高さ6cm、11cm)でできるもの。 第2水滴が着く前に泡が水中に打ち出され音がする。

【ドーム音パターン2】 パターン1以外の高さでできるドーム音。第1水滴でできた半球状のくぼみが元に戻る時に第2水滴が着水し、泡を水中にたたき出して音を出す。

実験5、実験6

第2水滴が出ないようにガラス管の中に先をとがらせた割り箸を差し込み、第1水滴のみでの様子を観察する。

《結果と考察》

やはりドーム音パターン2は出なかった。ドーム音パターン1は第1水滴だけでできる。

実験7

水滴は着水後どうなるのか。赤インクの水滴を水面やミルク液面に落とし、観察する。

《結果と考察》

水滴(赤インク)は、落下して半球状のくぼみ、ミルククラウンに相当する水の壁の内面を作り、その後、急速に落下地点に集まって水柱を作り上昇する。くぼみを作っている間は、下方の水とほとんど混ざらない。

実験8

音を出す泡(空気)は、水中にどう取り込まれるのか。実験2のガラス管からの水滴を観察する。

《結果と考察》

水滴が水面に衝突すると、それを取り囲むように水の壁ができる。水の壁は空気を包み込みながら内側に伸びる。低い高さの水滴の場合は、水の壁は中央でぶつかり、下に落ちる水流で泡(空気)が下方にたたき出されて音が出る。これがドーム音パターン1。それ以外の高さからの場合は、水の壁は中央まで届かず、途中で内側に倒れこむ。水面下にはドーム状にくぼみができ、元に戻る時に第2水滴が落ちてきて泡をたたき出すと、ドーム音パターン2 となる。落ちた水滴は中央に集まって水柱となる。水柱は崩れて低くなり、それにたたき出されて下方に泡ができると水柱音が聞こえる。

研究の後で

 『中学生のための理科の自由研究実例集』という本に「水面に落ちる水滴の音を探ろう」という研究が出ていてびっくりした。しかし、僕の研究の方が、ドーム音パターン2を発見したこと、泡ができた瞬間に音がしていたことを確認したこと、泡の大きさと振動数との関係をはっきりさせたこと、泡が何によってたたき出されるか考察したことなど、何倍もの多くの発見や考察があったことに安心し、満足した。

指導について

指導について田原清隆

 毎日のお手伝いの「お風呂の水入れ」の中から、不思議に思った水の音。前回のPart1で「水の音は泡の音」だと証明した。
   今回は、中学生になり、より科学的に、水滴が水面に落下するときにできる音と泡について、コンピューターを使って詳しく解析できた。コンピューターを使ったといっても、ビデオという連続写真をコマ送りで確認する作業は、膨大な時間を要した。
   目がしょぼしょぼしての作業は大変であったが、努力しただけの結果をいただくことができた。
   実験により結果が出て、その結果の中から疑問がでて、その疑問を解決するために実験をする。その繰り返しによって、あらゆる角度から詳しく理解することができたようだ。
   特に、最後の仮説では、中学生らしく、アニメで宇宙人が、膜状になって相手を包み込むシーンからの発想で、空気が取り込まれる様子を撮影でき、大満足の様子だった。

審査評

審査評[審査員] 小澤紀美子

 受賞おめでとう。この研究は、日常の生活でよく言われれている水が水面に落ちる時の「チャッポーン」という水の音が何故発生するのかをていねいに実験して追究しています。「チャッ」をドーム音、「ポーン」を水柱音と名づけ、音が出るタイミングを実験によってドーム音には2種類あることを発見し、空気を取り込んだ泡の出来方、泡が出来た瞬間に音がすることなど、見えない泡を見えるように連続写真撮影したり、聞こえない音を聞こえるように振動測定したり、創意工夫して発見を積み重ねています。また、一度失敗した実験からも表面張力の原理を見いだし、それを活かして実験装置を作るなど、探究心に感服します。今後もこの研究のように科学的にじっくりと取り組んでいくことを期待しています。

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