発砲スチロールのボールを手で水に潜らせ、手を離してボールが水面からとび出した高さをはかるという実験をしました。

質問

手芸屋さんで買った発砲スチロールのボールを手で持って水に潜らせ、手を離してボールが水面からとび出した最も高い位置の高さをはかるという実験をしました。
買ってきたままの表面がつるつるの発泡スチロールのボールと、表面を紙やすりでやすってざらざらにした発泡スチロールのボールを同じ深さで潜らせて手を離すと、表面がつるつるな方がよくとびました。このときのボールの大きさは５cmでどっちもほぼ同じです。
表面がつるつるなボールを深さ5cmのところまで潜らせたときは水面から11.1cm、深さ10cmまで潜らせると10.4cmのところまでとび上がりました。ざらざらのボールだと深さ5cmで9.0cm、深さ10cmではとび上がらず水面を横すべりするだけでした。(すべて20回やった平均)　　
なぜ、つるつるなボールのほうがよくとび、ざらざらなボールは深さ10cmのところからはとび上がらなかったのでしょうか。教えて下さい。

回答No.3

debukuro

水面に茶筒を立てて水面を移動させてみてください
後ろ側の水面に右左交互に渦ができるはずです
この渦は水面だけでなく水中の物体にも発生するのです
この渦がどこでできてどこで消えるかで物体の運動が違ってきます
いろいろは深さで実験してみればいいです

それにしてもいいところに目をつけましたね
あなたは科学者だ　(T▽T)アハハ

回答No.2

htms42

水の中での運動は複雑です。
面白いことをやっておられると思いますが内容は難しいです。

発泡スチロールは軽い（密度が小さい）ですからわずかな影響も大きく結果に響いてきます。
水の抵抗も表面の状態によるものだけではありません。
速さにも関係します。形にも関係します。

直径が５ｃｍだと缶コーヒーの缶ぐらいですね。
お風呂の中で缶を手に持って横に動かしてみてください。
波が出来ます。
缶の前で出来る波、後ろで出来るで形が違います。
少しの速さの違いで波の形が変わります。
後ろの三角の波（船の通った後に出来る形の波）ができるところから急に抵抗は大きくなります。
ボートは円形ではありませんね。いわゆる「流線型」と言われる形をしていますね。円形では渦が出来やすいです。
船の抵抗のほとんどは粘性抵抗ではなくて造波抵抗です。
冬、風が強いと電線がうなります。電線の断面は丸いです。
右左で交互に渦が出来て振動します。水の中で丸い棒を動かしても同じ渦が出来ます。
水面で起こる間にと水中で起こる波とは同じではありませんがイメージは取れるのではないでしょうか。

発泡スチロール球を深く沈めた離すと必ず横揺れが入った運動をしながら浮き上がっていくはずです。
表面がざらざらだとこの横ずれの揺らぎに表面抵抗による回転が入ってくるのだと思います。野球のボールで言うと変化球を投げたようになります。横にそれてしまう運動が強く出ると水面に沿った運動で終わってしまいます。

ペットボトルで同じようなことをやってみてください。
似たような状況だと思うかもしれませんがかなり違いも出てくるはずです。５００ｍＬなら手ごろでしょう。姿勢を安定させるために少し水を入れます。
発泡スチロール球よりは高く上がると思います。１０ｃｍなんてものではないはずです。
水を入れたペットボトルの方が密度は大きいですから違いは抵抗によるものです。

浮力だけが働いていて抵抗がないとしたとき、発泡球にどれくらいの加速度が生じるかは計算できます。その加速度で深さ５ｃｍからスタートしたとすると水面からの飛び出しの速さはいくらになるかも計算できます。上がった高さが１０ｃｍというのは言うのはそれから予想される値に比べて極端に小さいです。
空気中での抵抗もかなり大きいのです。
ビー玉を投げるのと発泡球を投げるのとでは極端な違いがあるというのがわかります。
空気中の抵抗を調べるのも必要です。水の中での抵抗はそれよりもずっと大きいのです。

お礼

詳しく教えていただきありがとうございました。
参考になりました。

回答No.1

stead2009

表面の抵抗が原因だと思います。
表面の流れの寄与というのは想像以上に大きなもので（特に水など粘性が大きい流体の場合）ざらざらだと水による抵抗が大きくなり、発泡スチロールの速度のエネルギーを奪ってしまいます。

お礼

ありがとうございました。
役に立ちました。