恐怖と興奮の物理学！顎寸前で止まる「巨大鉄アレイ振り子実験」の全貌
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
机の上だけの勉強に飽きていませんか？今日は、教科書の世界を飛び出して、ドキドキするような体験共有型の授業をご紹介します。テーマは「実験を大きくすること」。ただサイズを大きくするだけで、物理の法則は驚くほどダイナミックで面白いものに変わります。ご家庭のガレージやリビングでも工夫次第で再現できますが、理論上は安全でも、一歩間違えれば怪我をするリスクがあります。必ず保護者の方や先生と一緒に、安全を確保して行ってください。
実験のコツ：なぜ「巨大化」なのか
理科の授業を成功させるための鉄則、それは「全員が目撃者になること」です。実験のコツは大きく分けて２つあります。１つ目は、２人に１つ実験器具が行き渡るように用意すること。そして２つ目が、それが難しい場合は徹底的に大きく見せることです。一番もったいないのは、教卓の上でこじんまりとした実験を行い、後ろの席の生徒が「見えない」と興味を失ってしまうことです。これでは、科学の面白さが伝わりません。そこで工夫が必要になります。書画カメラ（実物投影機）を使って手元を拡大するのも一つの手ですが、もっとインパクトがあるのは、実験道具そのものを作り直すことです。
今回は、この作り直す（巨大化させる）というアプローチで、物理の基本法則を体感してみましょう。通常の振り子の実験は動きが小さく地味ですが、これを巨大化させることで、教室全体が息を飲むエンターテイメントに変わります。
科学のレシピ：巨大振り子を作ろう
用意するもの：鉄アレイ（１〜３ｋｇ程度）、丈夫な糸（重量に耐えられるロープ等）、ストップウォッチ、メジャー方法：
① 鉄アレイに丈夫な糸を結びつけ、天井などの高い場所から吊るします。コツは限界まで大きくすること。天井から床すれすれまでの長さを持つ、特大の振り子を作りましょう。
② この振り子の軌道上に椅子を置き、背筋を伸ばして座ります。そして、鉄アレイを持ち上げて、自分の顎（あご）にピタリとつけます。
③ ここが運命の瞬間です。絶対に勢いをつけず、そっと手を離します（初速度０）。振り子運動をして戻ってきた鉄アレイが、自分の顎を砕くことなく、寸前で止まることを観察します。
理性を試される恐怖体験
実際にやってみるとわかりますが、これは「科学への信頼」が試される実験です。頭では「力学的エネルギー保存の法則があるから、絶対に顔には当たらない」とわかっていても、数キログラムの鉄の塊が顔面に向かって迫ってくる光景は、本能的にかなり怖いです。生徒の前で実演する先生は、ビビって体を引いてしまわないよう、必ずリハーサルをしておきましょう。生徒たちの反応も劇的です。「わー！！」「きゃ〜〜！！」という悲鳴にも似た歓声があがります。理論（物理法則）と現実（視覚的な恐怖）のギャップを楽しむことこそ、この実験の醍醐味です。
この実験の科学：なぜ当たらないのか？
この実験の裏側には、宇宙のどこでも通用する大原則「力学的エネルギー保存の法則」が働いています。力学的エネルギーとは、以下のエネルギーの合計のことです。今回の実験では、空気抵抗などの「仕事」がほぼゼロであると見なせるため、この力学的エネルギーの総量は変化しません。スタート時（顎の位置）では、鉄アレイは高い位置にあり止まっているので、位置エネルギーのみを持っています。
例えば、この時の全エネルギーを「100J（ジュール）」としましょう。
手を離すと、鉄アレイは下に向かって加速します。高さが下がるにつれて「位置エネルギー」が減り、その分だけ「運動エネルギー」が増えていきます。最下点に来た時、位置エネルギーは0になりますが、その分運動エネルギーが最大の100Jになり、速度はマックスになります。そして再び上昇する際、今度は運動エネルギーが位置エネルギーへと変換されていきます。しかし、最初に持っていた「100J」を超えることは絶対にありません。これを力学的エネルギーの保存といいます。なお、糸が鉄アレイを引っ張る力（張力）は、常に運動方向に対して垂直に働くため、物理学的な「仕事」はゼロです。エネルギーの増減には関与しません。
だからこそ、鉄アレイは「手を離した高さ」までは戻ってきますが、それ以上の高さには絶対に行けないのです。だから顎は砕かれません。（※注意：手を離す瞬間に勢いをつけて「押して」しまうと、初期エネルギーが100Jプラスアルファになり、戻ってきた時に顔面を直撃します。絶対に押してはいけません！）
発展編：ガリレオも見た？振り子の周期
せっかく巨大な装置を組んだので、もう一つ実験をしてみましょう。「振り子の周期（往復する時間）」の測定です。物理学者ガリレオ・ガリレイは、ピサの斜塔の隣にある大聖堂で、揺れるシャンデリアを見て「振れ幅が大きくても小さくても、往復にかかる時間は同じだ」という振り子の等時性を発見したと言われています。これを教室で再現します。
まず、糸の長さ（L）を測り、公式(T=2π√L/g)を使って周期を計算し、その「予言値」を黒板に書きます。
次に、生徒に鉄アレイを揺らしてもらい、10往復する時間をストップウォッチで測ります。その時間を10で割って、1往復の時間を求めます。
結果は驚くほど「予言値」と一致し、生徒たちは感動します。なぜ巨大化させると良いのでしょうか？それは、重りが重く、空気抵抗の影響が相対的に小さくなること、そして周期が長くなることで、ストップウォッチを押す際の人間の反応速度による誤差（0.1〜0.2秒）の影響が薄まるからです。高校物理を選択している生徒がいれば、実際に計算させてから実測すると、「公式はただの暗記対象ではなく、世界を記述するツールなんだ」という実感を持たせることができるでしょう。
参考資料と偉大なる先人
ウォルター・ルーウィン先生の『これが物理学だ！』には、これらを含む数々の素晴らしい実験が紹介されています。マサチューセッツ工科大学（MIT）での講義中、自らの命（？）を懸けてこの振り子実験を行うルーウィン先生の姿は伝説的です。非常に面白く、私も本とDVDを購入してしまいました。興味のある方はぜひご覧ください。
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