コマはなぜ倒れない？ジャイロホイールで体感する回転の不思議（ジャイロ効果・歳差運動）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
子供の頃、誰もが一度は不思議に思ったことがあるのではないでしょうか。今回はその謎を解き明かす「ジャイロホイール」を使って、目には見えない回転の力の正体に迫ってみたいと思います。実際に自分の体で体験すると、頭で理解するのとはまったく違う驚きがありますよ。
手作りからついに製品版へ
これまでは、子供用自転車の車輪を分解して手作りの実験装置を作っていましたが、今回ナリカのジャイロホイールを購入しました。使ってみると、やはり製品版はスムーズな回転が段違いです。摩擦が少なく、軸のブレもほとんどないため、これから紹介する現象がよりクリアに観察できます。
C15-2634 回転台(ｼﾞｬｲﾛﾎｲｰﾙ)C15-2634 回転台(ｼﾞｬｲﾛﾎｲｰﾙ)
回転する物体は「向き」を守ろうとする（ジャイロ効果）
このホイールで確かめたかったのが、ジャイロ効果と呼ばれる現象です。これは、回転している物体がその回転軸の向きをできるだけ保とうとする性質のことです。こちらの動画をご覧ください。
ホイールに紐をかけて勢いよく回転させたあと、片方の軸だけに紐を結んでぶら下げてみます。普通に考えれば、軸を片方だけ支えたホイールは、重力に負けてすぐにガクッと傾いて落ちてしまいそうですよね。ところが、倒れないのです。ホイールは水平を保ったまま回転を続けます。
回転させない場合は、倒れてしまいますが…
回転させると、手を離しても倒れません。
これは、自転車が走っているときに倒れにくいのと同じ原理です。タイヤという回転体が、軸の向きを保とうとする性質のおかげで、私たちは自転車に乗ってバランスを取ることができているのです。
倒れないだけじゃない、くるくる回る「歳差運動」
さらに面白いのは、このホイールが倒れずに静止しているのではなく、紐を中心にゆっくりとくるくる回り続けることです。この動きを歳差運動（さいさうんどう）と呼びます。
歳差運動というと難しそうに聞こえますが、実はこれもコマ遊びでおなじみの現象です。コマが回転しながら軸がゆっくりと円を描くように傾いていく、あの動きこそが歳差運動なのです。
地球にも歳差運動があり、自転軸の向きが約2万6千年という気の遠くなるような周期でゆっくりと首振り運動をしています。今、北極星として知られているこぐま座の星も、1万年後には別の星に「北極星の座」を譲ることになるそうです。
自分の体で感じる歳差運動
最後に試したのが、回転台に乗った状態でホイールを操作する実験です。もう一度ホイールを勢いよく回してから回転台に乗り、その状態でホイールを傾けていきます。
こちらの動画をご覧ください。
すると今度は、自分の体のほうが回転台の上でくるりと回り始めるのです。
ホイールを傾ける動きと連動して、まるで見えない力に押されているかのように体全体が回転していきます。これは、角運動量保存の法則という物理の大原則が働いている証拠です。ホイールの回転軸を傾けることで生まれる「回転の変化」を打ち消すように、システム全体（この場合は自分の体を含めた回転台）が反対方向に回転して帳尻を合わせようとするのです。
わかりやすく二次元で考えると、水平面の角運動量を保存するように、体が回転してしまうという仕組みです。
３次元はもっと複雑！右手を使って覚えてしまおう！
実はこの原理、フィギュアスケート選手がスピンの途中で腕を縮めると回転が速くなる現象や、人工衛星やロケットが宇宙空間で姿勢を制御する仕組みにも応用されています。宇宙飛行士が無重力空間で体をひねると自然に回転してしまうのも、同じ角運動量保存の法則によるものです。目の前の小さなホイールの動きが、宇宙工学にまでつながっていると考えると、実験の見え方がガラッと変わってきませんか。
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