研究の理由

　お風呂で水車のおもちゃを使ってよく遊んでいた。流れる水でくるくる回る水車は、ずっと見ていても全然あきない。妹とどちらが速く回せるか、勝負もする。
　ある時、水車って何のためにあるのだろうと、ふと疑問に思い、水車のあるところに行ってみた。
　「となみ水車苑」へ行くと、大きな五連揚水水車が水を汲み上げたり、機械を動かしたりしていた。たくさんの歯車を使って、粉ひき機を動かしていたのにびっくりした。「北陸電力エネルギー科学館ワンダー・ラボ」へも行き、水力発電の仕組みを教えてもらった。発電の仕組みは難しくてよくわからなかったけれど、水車が回るとランプが点灯したのには驚いた。
　水車ってすごい!!水車を作って発電したい!!何かを動かしたい!!そう思って、実験をすることにした。

研究の準備

　まず、牛乳パックの水車、コルクの水車、木の水車を作った。水車は水を受ける羽根の部分、羽根をつける胴体、水車の中心を通る軸の部分からできている。牛乳パックの水車は「牛乳パックを切り出した羽根、ストローの胴体、竹串の軸」で作ってみた。コルクの水車は「ペットボトルを切り出した羽根、ワインのコルクの胴体、竹串の軸」、木の水車は「ペットボトルを切り出した羽根、木の胴体、竹串の軸」で作った。水車の軸の竹串を支える台を用意して、それぞれの羽根に水が当たるように水タンクを上に設置する。タンクの栓を開けて水を流すと、どの水車もよく回った。
　このなかで、一番よい水車ってどれだろう。「ワンダー・ラボ」では、発電したいなら軸を速く回さなければならないと教えてもらった。だから、速く回る水車を作りたい！
　そこで、水車の回る速さを目で見て確かめられる特製装置を作った。たこ糸を50cmの長さに切り、糸の先をキツネのキーホルダーのてっぺんの穴に結び付ける。たこ糸の反対側の先をミシンの糸巻にゆるまないように結ぶ。キツネ付きの糸巻を水車の軸の片方の穴に差し込み、軸の反対側にも何も付いていない糸巻を取り付ける。水車が回ると、たこ糸が糸巻に巻き付き、キツネが引っ張られる。水車が回り始めてからキツネがつり上がるまでの時間を測定し、時間が短いほうを速い回転とする。
　この装置を使って3つの手作り水車の回り方を比べてみると、1番速いのはコルクの水車、次いで木の水車、1番遅かったのは牛乳パックの水車だった。羽根の数や幅、長さ、形、水車の重さと、回る速さに関係があるのかもしれない。水車の羽根をおしてくるくる回す大仕事をしている“水”に「水くん兄弟」と名付けて、実験で確かめてみる。

実験

羽根の数が多いほうが水車は速く回るだろうか

　木の板の羽根、コルクの胴体、木の棒の軸を使った水車に、高さ45cmからウォータージャグの水7.5Lを落として実験した。羽根を1～4、6、8、12枚と変えながら、枚数の違いで速さが違うのかを確かめた。羽根の枚数が多いほうが速く回ると予想していたが、1番速かったのは6枚だった。8、12、3、4、2枚と続き、羽根が1枚の時には水車は回らなかった。ウォータージャグから落ちる水くんを、ちょっと弱気な鉄棒選手のように感じた。

羽根の幅が広いほうが水車は速く回るだろうか

　ペットボトルの6枚の羽根、コルクの胴体、竹串の軸を使った水車に、高さ19cmからウォータージャグの水7.5Lを落として実験した。胴体のコルクの幅を半分に切ったもの、1個、2個つなげたものと変え、それぞれの羽根も胴体と同じ幅にした。幅が広い2個分が速いと予想していたが、1番速かったのはコルク1個の水車。2個つなげたものが最も遅かった。1個が速かったのは、水くんの体の幅とちょうど同じくらいだったからかな。

羽根の長さが長いほうが水車は速く回るだろうか

　木の板の羽根、コルクの胴体、木の棒の軸を使った水車に、高さ45cmの位置からウォータージャグの水7.5Lを落として実験した。羽根の長さを5、10、15cm（胴体から出ている長さ）と変えながら、速さがどう違うのか、確かめた。真ん中の長さ（10cm）が速く回ると予想していたが、短ければ短いほど速かった。重さの影響があるのかもしれないので、重さをそろえて調べてみても、短いほうが速かった。羽根が長くても短くても、水くんの当たる部分の広さは変わらないのだろう。

大きいほうが水車は速く回るだろうか

　羽根と胴体の長さの比率を同じにした時、水車が大きいほうが速く回るのだろうか。木の板の羽根、木の胴体、木の棒の軸を使った水車に、高さ45cmの位置からウォータージャグの水7.5Lを落として実験した。「胴体の直径10cm＋羽根の長さ5cm」「胴体20cm＋羽根10cm」「胴体30cm＋羽根15cm」と大きさを変えながら、速さがどう違うのかを確かめた。中位が速いと予想していたが、小さければ小さいほど速かった。

軽いほうが水車は速く回るだろうか

　水車の大きさを同じにした時、水車が軽いほうが速く回るのだろうか。木の棒の軸を使った水車に、高さ45cmの位置からウォータージャグの水7.5Lを落として実験した。軽いほうから「スタイロフォームの胴体とペットボトルの羽根」「コルクの胴体とペットボトルの羽根」「木の胴体と銅板の羽根」で確かめた。軽いほうが速いと予想していたが、そのとおりだった。軽ければ軽いほど、速く回った。

羽根の形がスプーン型だと水車は速く回るだろうか

　平ら、スプーン型（凹）、スプーン型（凸）、箱型の羽根で、回る速さを比べてみた。すると、スプーン型（凹）、箱型、平ら、スプーン型（凸）の順で速く回った。箱型のほうが水くんが長くとどまりそうなのに、遅いのはなぜだろう。スプーンにためられる水の容量を1、5、10、15mLと変えて実験すると、あまり差はなかったが、10mLが1番速かった。箱型や15mLのスプーンだと、水くんが長くとどまりすぎてお荷物になるのかもしれない。

これが!ぼくの!!ミラクルくるくる水車だ!!

　ここまでの実験で得た結果から、理想のミラクルくるくる水車を作った。モーターとLEDのランプを付けて発電装置を作り、発電してみた。すると、LEDランプはつかなかった……。ぼくのミラクルくるくるランプは最強、最速のはず。水くんをパワーアップさせるため、水流の実験をやってみた。

高いところから水を落とすと水車は速く回るだろうか

　ウォータージャグの水7.5Lの落とす高さを変えて、回る速さを比べてみた。床から36cm、51cm、67.5cm、72cm、83cm、108cmで比べると、72cmが1番速かった。72cmまでは高くなるほど速かったが、72cmを超えると高くなるほど遅くなった。これは水くん兄弟が落下するうちにバラバラになって、羽根に当たらないものが出てくるからではないのかな。
　水を落とす高さは72cmがよい。そこから水を落とし、ミラクルくるくるランプで発電に再チャレンジすると、今度こそLEDがついた!!