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スクリューのついた潜水艦のおもちゃは、宇宙船内でどのような動きをするのだろうか?

空気中をゆっくり前に進むが、本体はスクリューと逆向きに回転する。

 潜水艦のおもちゃは、水中では、浮力の働きで浮かび、スクリューが水を後ろにかき出す反動で前に進む。宇宙船内では無重力となるため、潜水艦のおもちゃは空気中に浮かび、スクリューは水のかわりに空気を後ろにかき出す。空気は水よりずっと軽いから、反動も少なく、ゆっくり進むことになる。

 さらにどうしたことか、胴体までゆっくりと回転し出す。それは進行方向を軸にして、スクリューと逆向きの回転だ。

 これは「角運動量保存の法則」で理解できる。スクリュー(ゴムでもゼンマイでもでモーターでも、動力は何でもかまわない)が回転を始める前、潜水艦自体は全く回転していない。スクリューが回転しても胴体が逆回転すれば、全体の角運動量はゼロに保たれる。そのかわり、胴体はサイズも質量も大きいから、回転速度はゆっくりになる。

 この角運動量保存則は、さまざまなところで見ることができる。たとえば、摩擦の少ない回転台や、回転いすに乗って、上半身をひねると、下半身は逆方向にねじれるはずだ。ヘリコプターも、主プロペラだけで飛ぼうとすると、胴体がプロペラと反対方向にぐるぐる回り始めてしまう。そのために、小さな補助プロペラで回転しないように調節している(アニメでは、頭につけたプロペラだけで真っ直ぐ飛んでたりするけれど…)。

 海中の潜水艦が回転しないのは、重心が胴体の下側にあり、スクリューが回って胴体が回転しようとすると、重力が回転を抑える働きをするからだ。
傾いても、重力による回転力
(モーメント)により元に戻る。

※特に断りのない限り、画像クレジットは©JAXA