Miksi moottori pyörii taukoamatta? Selvitä Flemingin lain ja kommuttaattorin salaisuudet digitaalisella 3D:llä ja paperikäsityöllä!

Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on kokeilua.

Kuinka monta moottoria mahtaa ympäriltänne löytyä? Tuulettimet, pesukoneet, älypuhelinten värinät, aina junien pyöriin asti… Elämämme on täynnä voimaa, joka saa asioita pyörimään. Mutta kun kysytään, ”Miksi sähkö saa asioita pyörimään?” – se tuntuu heti vähän hankalalta. Miten selittää sähkön ja magneetin näkymätön voima?

Tähän pulmaan saattaa löytyä apu mahtavasta 3D-grafiikkaohjelmasta, GeoGebrasta! Löysin sieltä erinomaisen oppimateriaalin moottorin toimintaperiaatteen selittämiseen. Tässä ne ovat:

Moottorin toimintaperiaatteen ”näkemin” GeoGebralla
Tämä (haku: DC Motor)

Tai tämä! (haku: Cópia de Electric Motor)

Näitä voi katsella tietokoneellakin, mutta suosittelen erityisesti iPad-sovellus GeoGebraa. Mikä siinä on niin mahtavaa? Se, että voit itse pyöritellä ja tutkia mallia! Oppikirjan kaksiulotteisesta kuvasta on vaikea hahmottaa, kun sanotaan ”tässä voima suuntautuu poispäin”. Mutta tämän materiaalin avulla voit pyörittää kuvaa mihin tahansa kulmaan ja ymmärtää konkreettisesti: ”Ahaa, se todellakin saa voimaa tähän suuntaan!”

Pääset todellakin kokeilemaan Flemingin vasemman käden sääntöä omilla käsilläsi! Teknologia ratkaisee hienosti 3D-ilmiöiden selittämisen haasteen.

Digitaalisen ymmärryksen jälkeen – analoginen ”rakentaminen”!
Kun olet ymmärtänyt periaatteen digitaalisen 3D-mallin avulla, herää luonnollinen halu rakentaa se itse! Otimme mallia opettaja Shotaro Kishin sivustosta, jossa hän kokeilee tiedeopetusmateriaalien tekemistä #paperimallina, ja teimme oppilaiden kanssa ”Pyörivä! Paperimoottori 2:n” (tässä linkki). Tarkastellaan seuraavaksi yhdessä, miksi tämä paperimoottori jatkaa pyörimistään – katsotaan sen sydämeen.

Flemingin sääntö ja ”pyörittävä voima”
Tarkastellaan ensin tilannetta, jossa virta kulkee käämissä ”abcd”-suuntaan.

Tässä astuu esiin yläkoulun tiedetuntien tähti, Flemingin vasemman käden sääntö. Se on se: ”Virta, kenttä, voima!”

Tarkastellaan käämin ”ab”-osaa. Virran suunta on ”a→b”. Magneettikentän suunta on N-navasta S-napaan. Aseta nämä kaksi vasemman käden keskisormeen (virta) ja etusormeen (kenttä)…

Peukalo (voima) osoittaa poispäin (kuvan taakse)! Seuraavaksi käämin ”cd”-osa. Virta kulkee ”c→d”.

Aseta vasen käsi samalla tavalla… Tällä kertaa peukalo (voima) osoittaa eteenpäin (kuvan eteen).

Kuvitelkaa nyt: Käämin toista puolta (ab) työnnetään poispäin, ja toista puolta (cd) vedetään eteenpäin. Mitä tapahtuu? Juuri niin! Käämi alkaa pyörähtää! Tämä on moottorin ensimmäinen askel.

”Älykäs temppu”, joka saa sen pyörimään
Tässä tulee kuitenkin vastaan suuri ongelma. Mitä tapahtuu, kun käämi on pyörähtänyt puoli kierrosta ja ab ja cd ovat vaihtaneet paikkaa? Jos virta kulkisi yhä ”abcd”-suuntaan… Voima suuntautuisi päinvastaiseen suuntaan kuin äsken, ja pyöriminen pysähtyisi. Se olisi sama kuin, että joku työntäisi keinua väärään aikaan vastakkaiseen suuntaan.

Tässä vaiheessa esiin nousee moottorin todellinen ”keksintö”: tärkeä osa nimeltään kommutaattori (virrankäännin)!

Tämä kommutaattori vaihtaa virran suunnan ”dcba”:ksi aina, kun käämi pyörähtää puoli kierrosta.

Kun virran suunta vaihtuu…

”cd”-osaan (joka on nyt pyörinyt etupuolelle) virtaa kulkee…

Voima suuntautuu poispäin (tässä kuvassa ylöspäin), ja

”ab”-osaan (joka on pyörinyt taakse) virtaa kulkee…

Voima suuntautuu eteenpäin (tässä kuvassa alaspäin). Tämän nerokkaan tempun, joka kääntää virran suunnan täydellisellä ajoituksella, ansiosta moottori saa jatkuvasti voimaa samaan suuntaan ja pyörii yhtenään!

Lisää tietoa kaipaaville
Tällä kertaa olemme tutkineet moottorin periaatetta siirtymällä digitaalisten 3D-mallien ja analogisten paperimallien välillä. Tom Walshin GeoGebra-materiaali on myös erittäin selkeä, kannattaa ehdottomasti kurkistaa:

https://www.geogebra.org/m/DsCfTEex#material/PN2YrxBb

Kun ”tiedät jotain epämääräisesti” muuttuu muotoon ”osaat selittää sen mekanismin!”, luonnontieteistä tulee entistä hauskempaa!

Kyselyt ja yhteistyöpyynnöt
Tuomme tieteen ihmeet ja kiinnostavuuden lähemmäs! Olemme koonneet selkeästi hauskoja tiedekokeita, joita voi tehdä kotona, ja vinkkejä niiden toteuttamiseen. Kokeile etsiä eri aiheita! ・Tämä blogi on julkaistu kirjana. Lisätietoa täältä ・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä ・Erilaiset yhteistyöpyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeilupajat, TV-konsultointi/esiintyminen jne.) täältä ・Artikkelien päivitykset X:ssä!

Kokeiluvideoita Tieteen Vinkkikanavalla (Science Net Channel)!

３月のイチオシ実験！

• 押し花を作ろう！：梅や桜の花の押し花を作ってみましょう。特別なケースに入れると、長く保存できて、しおりにもなります。

テレビ番組・科学監修等のお知らせ

• 「月曜から夜更かし」（日本テレビ）にて科学監修・出演しました。
• 2月27日放送予定「チコちゃんに叱られる」（NHK）の科学監修しました。

書籍のお知らせ

• 1/27 『見えない力と遊ぼう！電気・磁石・熱の実験』（工学社）を執筆しました。
• サクセス15 ２月号にて「浸透圧」に関する科学記事を執筆しました。
• 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
• 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。

講師・ショー・その他お知らせ

• 3/20（金）　日本理科教育学会オンライン全国大会2026「慣性の法則の概念形成を目指した探究的な学びの実践」について発表します。B会場 第３セッション： 学習指導・教材（中学校）③　11:20-12:20
• 7/18（土）　教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
• 10/10（土）　秘密兵器「帯電ガン」が炸裂！ビリビリ！ドキドキ！静電気サイエンスショー＠千葉市科学フェスタ（午後予定）
• 各種SNS　X(Twitter)／instagram／Facebook／BlueSky／Threads

Explore

• 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
• 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
• Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
• 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
• 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
• About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
• お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。