先進科学塾＠名大2019.9.1「燃焼の科学」報告　その２

　前回の続きです。後半（といっても、実際の講座の時間順とは異なりますが）の実験です。

　燃焼には酸素が必要。それを別の形で示す実験。花火です。

　花火に火をつけた後、水中に突っ込みます。

　実験がうまくいくように、花火の先はビニールテープで巻いてあります。

　成功すると・・・

　水中でも火花が持続します。

　水中の酸素を奪って燃える？・・・ちがいます。

　花火の中に酸化剤が入っているので、空中の酸素は燃焼に必要ありません。

　じつは、ぼくも学生時代にキャンプに行った先で花火をやり、それを水に突っ込んで遊んだことがあります。運がよければ、花火が水中で燃え続けるのを見ることができました。

　とはいえ、この日の実験はけっこうぎりぎりでした。

　何本も失敗し、なんとか成功。たくさん用意してあった花火を、全部使い切ることになりました。いやあ、実験はむつかしいですね。

　たくさんの煙が出るので、火災報知器が反応しないよう、実験の場所を減らして対応しました。

　さて、燃焼実験を積み重ねてきて、いよいよ燃焼の花形・・・ロケットです。

　まず、かんたんな実験から。

　底近くの側面に穴を開けたアルミボトルの中にエタノールを三回ほど噴霧し、紙コップでふたをして、チャッカマンで着火します。

　すると、ポン、という音がして、紙コップがロケットのように飛び上がります。

　こんな映像です。

　こんな瞬間をとらえるのは少し前までは難しかったのですが、ｉＰｈｏｎｅのライブ写真を使うと、連続して数コマの写真を撮ることができます。上のが、その代表写真で、火をつけているところです。ライブ写真には紙コップが飛び上がり、落ちてくるまでが写っていましたが、ふつうに扱うとこの一枚しか使えません。

　ｉＰｈｏｎｅやＭａｃの独特の機能なので、そのままではフォトショップで加工しようとしても、代表的な写真一枚しか加工できないのです。

　が、いろいろ調べてみたら、ｉＰｈｏｎｅのカメラには編集機能がついていて、一連のライブ写真の代表写真を変えることができることがわかりました。代表写真を変更してから、エアドロップという機能でＭａｃにダウンロードさせたのが、下の写真。

　うまくいきました。ちなみに、エアドロップ機能は、当日参加してくれた若いスタッフの人に教えてもらいました。

　この実験には物理的な続きがあります。

　紙コップを少し小さめに切ります。

　まず、アルミボトルにその紙コップをつよくかぶせ、さらにその上からポテトチップスの容器を切ったものをかぶせます。

　この写真では、かぶせる順がわかるように紙コップがすこし見えるようになっていますが、このあと、もっとポテトチップスの容器を押し込みます。

　火をつけると、紙コップだけが飛び出します。

　この図の通りです。

　筒があると、２つの理由で、より高く飛び上がるようになります。

　一つは、運動量と力積の関係。力積というのは力と力のかかっている時間をかけ算した量のことです。うける力積が大きいほど、物体の運動量が増すという法則があります。

　筒があると、紙コップが筒を移動する間、余分に力をうける時間が増えるため、受ける力積が増え、紙コップはより大きな運動量を得て、速い速度で飛び出します。

　吹き矢を吹くとき、筒が長い方が矢は速くなります。これも同じ原理ですね。

　この講座の時、岡田さんが説明したのは、こちらの理由の話だと思います。（すみません、ちょうどそのとき、ぼくは座を外していたので、また聞きです）

　もう一つは、燃えたときに発生したガスの圧力の問題です。

　ポテトチップスの容器を上からかぶせたことで、紙コップはより強くアルミボトルに押しつけられ、摩擦が強くなります。

　紙コップは燃焼ガスの圧力による力が摩擦力より大きくなると飛び上がるので、摩擦が弱い１つめの実験では、ガスの圧力がじゅうぶんに大きくなる前に、紙コップが飛び上がってしまいます。２つめの実験では、摩擦力がじゅうぶん大きいので、それにつりあうよう、ガスの圧力がもっと大きくなったときに紙コップが飛び上がります。

　そのため、紙コップが飛び出すときの爆鳴音も大きくなるのです。

　この二つめの理由の話、は当日はなかったようですので、補足しておきました。

　さて、さきほどは紙コップをロケットにして飛ばしましたが、今度はもっと本格的にロケットっぽいものを飛ばします。

　アルミボトルをロケットにして、燃料を燃焼させて飛ばすのですが、実験室の中なので普通に飛ばすわけにも行かず、床に沿って飛ばす方法となりました。