そんなに楽しむのが得意なら、天国へ行けばいいじゃないですか。ここでお見せします！

子供はおもちゃなしでは生きていけません。良いおもちゃは、子供たちを幸せにするだけでなく、子供たちの好奇心や世界に対する考えを喚起することもできます。これらの資質は、子どもたちの将来の発達に大きな利益をもたらすでしょう。さらに、子どものおもちゃは比較的シンプルですが、その多くは実際に宇宙でも使える原理です。

今日はまた子供の日です。これらのおなじみの小さなおもちゃの背後にある原理を詳しく見てみましょう。

ブリキのカエル/プルバックカー/オルゴール

私たちはみんな、子供の頃にゼンマイ仕掛けのブリキのカエルで遊んだことがあります…何ですか?まだプレイしてないの？それは、ブリキガエルが流行らなくなっていたけれど、タオバオがまだ普及していなかった時代の世代間ギャップを経験したからでしょうね。今すぐ Taobao にアクセスして、失われた子供時代を取り戻しましょう。小さなカエル以外にも、プルバックカーやオルゴールにもゼンマイが使われています。

ブリキのカエル、電子商取引プラットフォームから撮影した写真

ゼンマイを巻くと、手の運動エネルギーがゼンマイに伝達され、弾性位置エネルギーの形で蓄えられます。手を離すと、バネがゆっくりと伸び、弾性位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、ブリキのカエルが鳴いて前方に飛び出し、プルバックカーがゴールラインまで突進し、オルゴールのドラムが弦を弾いて美しい音楽を奏でます。大人の世界では、弾性位置エネルギーと運動エネルギーの変換は他のことにも利用できます。

たとえば、古代から世界中の人々は、弾性位置エネルギーを利用して狩猟や戦闘を行う弓矢を発明してきました。今日では、機械式時計にバネを入れて針を動かしたり、巻尺や掃除機にバネを入れて巻尺やケーブルを素早く巻き戻したりしています。昔ながらのソファにはスプリングが装備されています。自動車や多くの大型精密機器では、動きのエネルギーを吸収し、衝撃を吸収するためにバネや油圧装置が使用されています。バネ秤は中学校の物理の授業に欠かせない実験器具です。野菜市場でも、ばね秤を持ったおじいさんやおばあさんをよく見かけます。

それで、これは宇宙とどう関係があるのでしょうか?もちろん、弓矢やパチンコを使って宇宙船を直接宇宙に打ち上げることはできません。この原理を宇宙で利用する方法の一つは、宇宙飛行士が体重を測るのに役立つことです。

あなたはこう言うかもしれません: それは正しくないですか?宇宙ステーションは微小重力環境なので、バネ秤で計量することはできないですよね？ここでニュートンの第二法則が役に立ちます。宇宙飛行士は、伸びたバネの一端に自分自身を固定します。バネが元の位置に戻ると同時に宇宙飛行士の反発加速度が計測され、宇宙飛行士の体重を計算することができます。

王亜平が聶海生の体重測定を手伝っている。中央テレビ総合チャンネルのスクリーンショット。

こま/ディアボロ

こま回しのおもちゃは、国によって呼び方が異なります。ある地域では「ビンガ」と呼ばれ、他の地域では「ダ・ラオニウ」「ランランポ」「ゲルオ」「ディエルウ」と呼ばれます（具体的な言葉はわかりません）。私に深い印象を残した名前は「裏切り者を鞭で打つ」、つまり裏切り者をぐるぐる回すという意味です。こまは通常かなり小さいので、大柄な人が背中をかがめてしばらく遊ぶと、まっすぐ立つことができなくなります。ディアボロは年長児や高齢者に適しています。 2本の棒とロープがあれば、いろいろな遊びができます。著者はかつて、ある賢者がこう言うのを聞いたことがある。「鍋の蓋をください。そうすれば、それを振ってあげますよ。」

電子商取引プラットフォームからキャプチャされたディアボロ

こまにしろディアボロにしろ、共通しているのは安定して回転することです。なぜ安定して回転できるのでしょうか?この背後にある原理は角運動量保存則です。角運動量は物体の回転を測る物理量であり、その方向や大きさは容易に変化しません。ハンドスピナーで遊んだことがある友人は、スピナーが回転し始めた後に方向を変えると、激しい「抵抗と抵抗」を感じることができることを知っています。角運動量保存の法則を利用して、銃身の壁にライフリング（ライフリングとも呼ばれる）を彫り、弾丸が軸を中心に回転するようにします。こうすることで、弾が目標に向かって飛ぶときに、弾頭が常に前を向いて空中で転がることがなくなり、できるだけ遠くまで飛ぶことができます。

シングルホイールディアボロ（上記の老人が言及した鍋蓋を含む）をプレイしたことがあるプレイヤーは、シングルホイールディアボロがロープに落ちた後、プレイヤーの周りを回転しながら自動的に回転することも知っています。この現象は「歳差運動」と呼ばれます。これは、保存された角運動量が地球の重力によって「ねじれ」、その後「転倒」する結果です。唯一の違いは、まっすぐ地面に落ちるのではなく、横方向に「倒れる」ことです。この「歳差運動」を感知することで、ジャイロスコープを搭載した装置は、移動方向が反転したことを知ることができます。この装置は「ジャイロスコープ」と呼ばれ、航空機、衛星、宇宙望遠鏡、宇宙ステーションなどに必要な重要な姿勢制御装置です。

ちなみに、そんな高性能な精密機器とは別に、ジャイロ自体も宇宙に行ったことがあるらしいのですが…

ジャイロスコープの動きのデモンストレーション、CCTVニュースチャンネルより

竹とんぼ/水ロケット

竹トンボは中国の伝統的な子供のおもちゃです。作り方もとても簡単です。竹の両端を風上斜面に切り込み、真ん中に小さな木の棒を差し込みます。トンボは両手でこすると空に飛ぶことができます。竹トンボを支える物理原理はニュートンの第三法則です。竹トンボが回転すると、羽根の傾斜によって空気が下向きに押し出されます。ニュートンの第3法則によれば、作用に対する反作用の力は必ず存在し、その力は大きさが等しく、方向が反対で、同一直線上に作用するため、空気は竹トンボを上方に押し上げます。竹製のヘリコプターは大人の世界に入ると、ヘリコプターや固定翼飛行機などの飛行機になります。

その背後にある究極の支持原理は、空気をより効率的に下方に押し下げ/投げ出すことで、翼/ローターに強力な揚力を生み出すことです。ニュートンの第三法則は、水ロケットというもう一つの先進的なおもちゃも生み出しました。多くの子どもたちが物理の授業で自分で作りました。密封されたコーラのボトルを膨らませ、ノズルを突然押し開きます。圧縮された空気がボトル内の水を下方に押し下げます。反動の力に押されて、水ロケットは真上に舞い上がります（水ロケットは危険も伴いますので、安全には十分注意してください）。

電子商取引プラットフォームからキャプチャされた2段式水ロケット

水ロケットと通常の宇宙ロケットの原理はほぼ同じで、唯一の違いは推進剤です。その他の点でも、「推進剤自体が負担となるため、慎重に計算する必要がある」という点は同じです。

シャボン玉

子どもの頃、シャボン玉で遊んだとき、私たちはシャボン玉の色に魅了されたに違いありません。それはどのように形成されたのでしょうか?石鹸水の色ですか？色が消えると泡がすぐにはじけるのはなぜですか?シャボン玉の色の秘密は光の波動性にあります。太陽光は白色光であるとよく言われますが、実際には「白色光」は存在しません。太陽光は多くの色（周波数）の光で構成されており、異なる色の光には異なる波長があります。

同じ光線がシャボン玉の内壁と外壁でそれぞれ反射されると、2 つの光線が生成されます。これら 2 つの光波が山と谷を重ねて現れると、色が強調されます。山と谷が反対の位置にあり、谷が山と反対の位置にある場合、色は打ち消されてしまいます。このように、どの色が強調され、どの色が相殺されるかは、泡の水膜の厚さと観察角度によって決まります。この現象は「干渉」と呼ばれ、生成される縞は干渉縞と呼ばれます。

重力の作用により、シャボン玉の中の水は周囲に沿ってゆっくりと流れ落ちます。

泡の水膜が十分に薄い場合、その内壁と外壁はどの色にも大きな干渉効果を引き起こしません。したがって、バブルが消えていくのを見ると、バブルが崩壊するのはそう遠くないことがわかります。科学者たちは干渉効果を利用して、多くの科学的観測装置を開発してきました。その多くは宇宙の謎を探るのに役立つように設計されています。マイケルソン・モーリーの干渉実験のように、それまで光の伝送媒体と考えられていたエーテルを直接反証した装置など、物理学の発展の歴史において大きな成果をもたらした装置もあります。一部のデバイスは非常に大きく、目に見えないため、中にいてもその存在を感じることさえできません。たとえば、世界中に点在する複数の電波望遠鏡で構成される有名なイベント・ホライズン・テレスコープは、「超長基線干渉法」技術を使用して、2つの超大質量ブラックホールの画像を撮影しました。

パフボート

映画「崖の上のポニョ」には、宗介とポニョが乗る「ポニョボート」という面白いおもちゃの船が登場します。ろうそくに火が灯され（魔法で拡大されて）、小さなボイラーの下に置かれ、船は勢いよく進みました。現実世界では、このような船が実際に建造できるのです！

缶のアルミホイルを小さな平らな袋に切り、ストローを2本入れます（2本のストローは、後の手順で水を入れるのに便利です）。アルミ袋とストローの隙間を接着剤で密閉し、ストローから水を注入します。ろうそくを入れた小さな紙のボートを用意し、アルミ袋をろうそくの炎の上に置き、ストローを水に入れると、ボートが前進するのが見えます。

ププ船を動かすエンジンは、熱機関の原理から「スターリングエンジン」と呼ばれています。限られた空間内のガス/液体を高温領域と低温領域の間で継続的に振動させることで、エンジンを駆動して作業を行います。スターリングエンジンは外部から加熱される外燃エンジンです。私たちがよく知る内燃機関（例えば、自動車のエンジンはシリンダー内でガソリンを燃焼させる内燃機関）と比較すると、熱源が限定されないのが最大の特徴です。摩擦、木の燃焼、電気、太陽エネルギー、核反応など、熱を発生させる手段であれば、熱源としてホットゾーンに使用できます。このように、スターリングエンジンは宇宙でも使えるのです！もちろん、潤滑油の問題など、宇宙でスターリングエンジンを使用するには克服すべき細かい困難がまだいくつかあります。

ちょっとした良いニュースです。神舟15号が完了した軌道上試験の中には、「宇宙高効率フリーピストンスターリング熱電変換試験」があり、これは将来の有人月探査や深宇宙探査ミッションに幅広く応用できる見込みがある。

最後に、この記事は「おもちゃ-理論-空間」の順序で構成していますが、大きなものを作るために使われる理論がすべておもちゃから派生しているわけではないことを強調したいと思います。それどころか、多くの場合、人々はまずロケットを宇宙に送り、その後、子供のような無邪気さを持つエンジニアたちが、この原理を使ってどんなおもちゃを作れるかを考え始めます...

企画・制作

著者: Qu Jiong 通信技術エンジニア

レビュー丨中国科学院国家宇宙科学センター研究員 劉勇

企画丨Ding Zong

編集者: ディン・ゾン

校正：徐来林