今年のセンター試験の総合理科の問題

質問

平成１７年度のセンター試験の総合理科の問題について
http://www.yozemi.ac.jp/nyushi/center/center05/mondai/sogorika/mon1.html
この紙飛行機は地球上で滑空しているだけのようなので
無重力状態では上に行かずにまっすぐ進むだけのような
気がするのですが、どうなのでしょう？　
その根拠はこの手の紙飛行機は逆さにして飛ばしても
ある程度は飛ぶからです。
ネットとかで発表されている答えを見ると上に曲がると
なっているのですが私は必ずしもそうはいえないと思い
ます。
ほんとのところはどうなのでしょうか？

回答No.3

shkwta · ベストアンサー

たぶん、出題の意図としてはこうでしょう。
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地上でボールを投げると、放物線を描いてボテッとおちる…働いている力は重力（下向き）だけ
地上で紙飛行機を投げると、すぐ落ちないで滑空する…働いている力は重力（下向き）と揚力（上向き）

これを無重量状態にもっていくと、重力がなくなって、
ボールを投げると、落ちないでまっすぐ進む…働いている力は「無し」
紙飛行機を投げると、上方向に曲がって飛ぶ…働いている力は揚力（上向き）だけ
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しかし、質問者様の指摘はなかなか鋭いところを突いていると思います。
なぜなら、
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地上でボールを投げると、放物線を描いてボテッとおちる…働いている力は重力（下向き）だけ
地上で紙飛行機を投げると、すぐ落ちないで滑空する…働いている力は重力（下向き）と、重力に対する反作用としての空気抵抗（上向き）

これを無重量状態にもっていくと、重力がなくなり、したがって反作用もなくなり
ボールを投げると、落ちないでまっすぐ進む…働いている力は「無し」
紙飛行機を投げると、上方向に曲がって飛ぶ…働いている力は「無し」
---------------------------------------
これだって、一理あるわけです。そこで、紙飛行機がすぐ落ちないのは、空気による反作用のせいか揚力のせいかが問題です。図に描いてある紙飛行機を見ても、揚力が発生する設計になっているかどうか、すぐに判断ができません。

さて、空気抵抗のせいだとします。空気抵抗は物体の速さが大きくなるほど大きくなります。したがって、一般に、空気中で落とした物体は、最初は加速しますが、やがて空気抵抗と重力がつりあったところで一定の速さになります。

問題の地上での紙飛行機の軌跡をみると、最初は速く落下して、やがて落下が緩やかになるような曲線を描いています。これは、上に書いた空気抵抗の性質から予想されるものと逆です。したがって、空気抵抗だけでは説明できず、揚力が存在することが結論できます。

もちろん、この問題はそんなところまで考えろという意図ではないと思いますが、質問者様のような指摘がありえることを見越して、地上での紙飛行機の軌跡をわざとこの形にしたということも考えられます。

お礼

詳しくお答えをいただきありがとうございます。

軌跡については私も考察してしました。
問題で地上での紙飛行機の軌跡は、最初のうちは放物線
に沿うように上に凸で後から下に凸になっています。

私が考えるに、これは始めのうちは上向きの力がほとん
ど無く下向きに加速しているが、徐々に上向きの力が
強くなり、最終的には大体（上向きの力）＝（重力）に
落ち着くからだと思います。
すなわち、力（揚力か空気抵抗によるものかは問わない
でおきますが）の大きさは時間変化しているわけです。
どうしてこうなってしまうか考えると機体の傾きが変わ
っていくからではないかと思うわけです。（速さが変わ
るせいである可能性もあるけれど）
じゃあなぜ傾きが変わるかというと重力以外には思いつ
かないのですが。（前が重くなっている）

回答No.6

eria77

物理的に説明します。

上向きの力（反力、抗力）は、主翼下部に発生します。

これは空気抵抗である。

この発生源が重力である。

抗力は、発生源の重力が消滅すれば、消滅しなければならない。

無重力では上向きの力も消滅し、水平に慣性運動を行う。

お礼

何度もお答えありがとうございました。
他の方もご回答ありがとうございました。
いろいろ考えてたら、なんかよくわからなくなってき
ましたが、とりあえずこの辺でしめたいと思います。

回答No.5

eria77

但し、これはグライダーの場合（ちゃんとした機体の場合です）

※紙飛行機とは呼びません。

紙飛行機は揚力発生装置を持ち合わせていませんから水平にしか飛びません。
（上昇する物理的根拠が全く無いのです！！！）

※紙飛行機は、上向きの力を受けません。
地球上では空気抵抗で、落下率が下がるだけです。

同じ原理の落下傘は上昇するのでしょうか？？？

大きな間違いだとしか考えていません。

お礼

再度のご返答ありがとうございます。

凧とかも重力が無いときちんと揚がらないとおもうのです。
無重力状態では、鳥だったか虫だったかが飛べずにくるくる
回ってしまうという実験を見た記憶があるような無いような。

回答No.4

shkwta

No.3の15行目を訂正します。

紙飛行機を投げると、上方向に曲がって飛ぶ…働いている力は「無し」
↓
紙飛行機を投げると、落ちないでまっすぐ進む…働いている力は「無し」

回答No.2

eria77

＞地球上で滑空しているだけのようなので

この機体は自重を支えるエネルギーを発生しています。
５キロの重さなら、上方向に＋５キロのリフトを発生させています。

この力は、主翼上部の流速が早く、下の方が流速が遅いので発生します。

減圧の力が発生して機体は吸い上げられるのです。

間違いなく、機体は減圧された主翼の上部方向に水平に上昇します。

お礼

早速のご返答ありがとうございます。

滑空でも地上で上向きの力が働くことはわかります。
そういう意味では上下対称の下敷きを投げても浮力は
生じるわけだと思うのです。
No1さんへのお礼のところにも書きましたように、無
重力でも地上と同じ現象がおきるということに納得が
いかないのですが、どうなのでしょうか？

回答No.1

TK0318

この問題の場合に関して言うと前半で地上で投げた場合のケースが書いてあります。そのときこの紙飛行機は「重力＋上向きの力（浮力）を受けた」と書いてあります。ですので重力がないと上向きの力だけを受けますので上に行きます。

質問者さんの勘違いは特定の紙飛行機（図２）が問題になっているのに紙飛行機を一般化してしまっていることです。いろいろな紙飛行機で本当にやってみた場合はどうなるかはわかりません。

お礼

早速のご返答をありがとうございます。
（うっかり問題番号を書き忘れておりましたが問３です）

確かに問題に上向きの力（浮力）を受けたとあります。
おそらく私みたいに考えないよう付られた注意なので
しょう。問題の趣旨はその通りで、私もそう答えるの
が受験生的には正しいと思います。
でもこのような浮力は地上での話であって地球の重力
によって紙飛行機が最初に多少落ちた結果生じた可能
性は否定できないと思うのです。
一般的に紙飛行機は先の方が重くなっていて重心が前
にあることこそが重要なのではないかと思うのです。
（だから、紙飛行機は上下逆さにしても飛ぶけれど
　前後を反対にすると飛ばない）

この問題の趣旨自体、いまひとつ納得できないのです。