簡易速度計２台で重力加速度を測ってみよう！羽根も鉄球も同じ速さで落ちる？

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

「重さの違うものを同時に落としたら、どちらが先に落ちるでしょう？」——そう聞かれたら、あなたはどう答えますか？重いほうが先に落ちる、と思った方も多いかもしれません。でも、実はそうではないのです。この不思議な現象を、自宅で手軽に確かめられる実験道具があります。それが「ビースピ」です。

ビースピってどんな道具？

ビースピをもっていますか？

みなさんはビースピをご存知ですか？ビースピは、コの字型をした簡易的な速度計です。その内側に２つのセンサーがついていて、コの字型の間を物体が通過すると、その速度を測定することができます。もともとはビー玉などのおもちゃの速度を計測するために作られたものですが、その便利さから理科の実験でも使われるようになったという歴史があります。なんと世界にも輸出されているのだとか。そのような背景もあり、速度計でありながら、非常に安く手に入るのが最大のポイントです。

ビースピV (簡易速度計測器) BeeSpi V

３０００円程度で購入できますが、理科の実験用のものは、速度をkm/hだけでなくm/s（メートル毎秒）でも測ることができるのが良いところです。ジェットコースターをつくって位置エネルギーと運動エネルギーを調べる実験にもよく使われますね。さらに、このビースピを２台使うと加速度まで測定できます。これを利用して、あの有名な「重力加速度」を実際に求めることができるのです！

ご家庭でも簡単にできるので、ぜひお子さんといっしょに科学実験を試してみてください。軽いものも、重いものも同じ加速度になることに、きっと驚くはずです。

実験に必要なもの

用意するものは以下の通りです。

ビースピ×２、スタンド、スタンド用クリップ、メジャー、マット（紙コップでも可）、ビーズ玉またはビー玉

理科実験でよく使うものですが、ビースピを固定できれば何でもかまいませんので、なければなくても大丈夫です。
マットについては、このようなものを100円ショップで購入してカットして使いました。紙コップでも代用できますよ。

実験の手順

①　ビースピ２つをスタンドに取り付け、下にマットをしく（紙コップを置く）。

②　ビー玉を落として、上の速度計と下の速度計の値を記録する。ビー玉がビースピに当たってしまった場合にはやり直す。

③　うまくいったら、２つのビースピの間の距離を定規やメジャーなどで測る。

④　記録した２つの速度（V₀，V）と、ビースピの距離（ｘ）を、等加速度直線運動の公式 V² – V₀² = 2ax に代入して、加速度aを電卓で求める。（実験原理については後述します）

実験結果の例

実験結果例

実験の原理——なぜ計算で重力加速度がわかるのか？

簡易速度計を使った重力加速度の測定実験の原理を説明します。

２つの等加速度直線運動の式（速度の公式と位置の公式）から、時間ｔを消去すると、次の式が導けます。

x－x0というのは移動距離を示しています。この式から v、v0、x、x0 を測定すると、その間の加速度aを求めることができます。落下運動は等加速度運動なので、２地点の速度を測定するだけで、重力加速度を計算できるというわけです。

例えば高さ60.0cmの位置からボールを５回落下させて、40.0cmと20.0cmの場所の速さを実際に測ってみましょう。以下は著者が実験をした結果例です。

高さ[m] 　速さ[m/s]（５回の平均値）
0.400 　　1.93
0.200 　　2.74

この結果を公式に代入して計算すると、9.46 m/s² という値が得られました。理論値の9.8 m/s² にかなり近い値ですね！ぜひ、みなさんが実際に得たデータで計算してみてください。

等加速度直線運動とは？

今回の実験で使った公式は、等加速度直線運動の公式の１つです。等加速度直線運動とは、加速度（速さの変化の割合）が一定の直線運動のことをいいます。自由落下はその代表例で、空気抵抗を無視すると、物体は毎秒9.8 m/sずつ速くなりながら落ちていきます。

重力加速度の不思議な世界

今回の実験ではビー玉を用いましたが、ビーズ球など重さの違うものでも実験してみてください。結果を見ると、加速度はほとんど変わらず9.8 m/s²に近い数字になります。これこそが「重力加速度」の面白さです。実はこのことは、400年以上前にガリレオ・ガリレイが発見した事実です。「重いものも軽いものも同じ速さで落ちる」——当時の常識を覆したこの発見は、のちにニュートンの万有引力の法則へとつながっていきました。

また、重力加速度は地球上でも場所によってわずかに異なります。赤道よりも極のほうがわずかに大きく、赤道では重力が少し小さくなっています。だからこそ、ロケットの発射場はできるだけ赤道に近い低緯度の場所に作られます。わずかな重力の差が、宇宙への到達効率に影響するのです。さらに月や火星など、別の惑星では重力加速度がまったく違う値になります。月面では約1.6 m/s²しかなく、地球の約6分の1です。だから宇宙飛行士は月でふわふわと歩けるのですね。

重力加速度ひとつとっても、地球の形や宇宙の広さにまでつながっていく——科学の面白さはこういうところにあります。落とす位置や物体の重さを変えながら、ぜひいろいろと試してみてください。

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