歩行

歩行に隠された振り子を見つけてその働きを考えましょう。Pythonを使える人は歩行データの解析にチャレンジしてみましょう。

歩行おもちゃ ボロット君

<材料>

(丸棒はホームセンターで、他は100均で入手できます。)

  1. 5mmの丸棒20㎝(4㎜竹ひごでも可)
  2. ビニールパイプ(丸棒がきっちり入るもの)
  3. 丸穴クリップ大
  4. 単4電池2本
  5. アルミ皿直径22㎝(紙皿でも可)

  6. アルミを切れるはさみ(ギザギザ付き)
  7. ビニールテープ
  8. 発泡スチロール板45㎝×30㎝(カラーボード)
  9. 牛乳パック

 

<作り方>

  1. アルミ皿を底の模様を使って4つに切る。
  2. マジックの底などで平らにする。
  3. 2枚重ねて中心から縁に向かって2回折り込む。
  4. 縁をビニールテープで止める。
  5. 縁がなるべくまっすぐになるように整える。
  6. 中央部分を丸穴クリップで挟む。(足の完成)
  7. 丸棒の中央に印をつける。
  8. 中央から1.5㎝に印をつける。
  9. 印に合わせてビニールチューブをはめてストッパーにする。
  10. 足を左右に取り付ける。
  11. 足のクリップがスムーズに動くようにストッパーを付ける。
  12. 単4電池を棒の端にビニールテープで止める。
  13. ボロット君をケント紙に描き、切り抜いて棒の中央に貼る。
  14. カラーボードの長い方の端から14㎝に印をつける。
  15. 印に合わせて牛乳パックを貼り付ける(1辺だけ)。
  16. ボロット君を載せて、足を軽くつつく。

実験の説明

歩行の振り子

歩くときは腕を前後に動かす。これは振り子の形そのものです。では他にも振り子になっているところがあるか探してみよう。ボロット君が斜面を歩く姿をよく観察するといくつか振り子をみつけられます。3つ以上見つかるかな。

答を知りたい方は こちら

糸に結んだ重りをゆらゆらさせると、重りは行って帰ってを同じリズムで繰り返す。この時糸を持っている指先を支点、重りが振動子(しんどうし)と呼ぶ。振り子は振れている間、振れ幅(振幅)にかかわらず一定の時間で振れる(振動周期)と小学校で習う。もちろん実際には空気抵抗や支点のぐらつきや糸のたわみなどによってエネルギー損失が起こりやがて振れるのを止める。

振り子にはぶら下げたものとメトロノームのように支点と振動子の上下関係がさかさまになった倒立振り子と、自転車の車輪に小石などの重りをタイヤにつけ、車輪を持ち上げて静かに手を離したときに車輪が回りやがて逆回転になりという具合になる回転振り子がある。回転振り子は腕時計などに使われるので調べてほしい。

歩くときは足底を支点とした倒立振り子が身体を前へ進めます。鳩は歩くときに頭を前後に振りますが、身体が前へ進むときには頭を引き、次の足を前へ出すとき身体はそこに残って頭を前へ突き出します。つまり足を支点とした倒立振り子と、頭を支点とした振り子の真ん中に身体が振動子としてあるかのように歩く。どうしてこのような歩き方をするのか、いろいろな解説があるので探してほしいし、歩く様子を振り子として観察するととても面白い。

身体を左右に振る振り子は、ポニーテールの人が歩く姿を後ろから見ていると良くわかる。ボロット君では左右に振れる振り子で片足を持ち上げてその足を前に進めている。2足歩行では左右に転倒しないように歩くためにとくに大切な振り子です。

振り子は支点から振動子の中止までの距離で周期が決まると習います。でも人間の足の長さと手の長さは違います。逆振り子での足から体の重心までの距離も違います。つまり人間が歩くとき様々な周期の振り子を同じ周期で揺らすことでバランスをとって歩いています。このためスマホで重力加速度の記録をとるといくつもの周期の波が出てきます。フーリエ変換を使うと検出できます。プログラミングを学びたい方はこちらからどうぞPythonがわかる方はこちらからフーリエ変換へどうぞ