どうもどうも、大志ですm(_ _)m
ありがたいことに本日、八戸市視聴覚センター児童科学館にて
わくわくサイエンス
という、小学生くらいのお子さんに対して勉強を兼ねた、工作教室をやらせていただいたのですが・・・今回は
リニアモーターの仕組みを学べる工作
に挑戦してみました。
参考にさせていただいたWEBサイトと同じ形になりましたが、見た目に反して大人でも作ることが意外と難しく。
ここでは、ちょっと難しいなと思った部分やコツについての紹介をしようかなと！
今後、お子さんの夏休み工作にと考えていた方は、参考にしてみてください(・∀・)
そもそも「リニアモーター」とはなんなのか・・・回転式モーターを開いたイメージ
その前に、本当にざっくりとだけお勉強を・・・。
現在、JR東海にて「リニア中央新幹線」の工事が行われていますが、そこで走るモノが「リニアモーターカー」ですね。
画像元：https://toyokeizai.net/articles/-/267877
ただ、ここではリニアモーターカーの詳細は置いておきまして・・・そのリニアモーターカーに使われるのが、
リニアモーター
と言われるものです(・∀・)
では、「リニアモーター」とは何ぞ？ということなのですが、「リニア ＝ 直線」という意味でして、
直線に動くモーター
のことを指します。
例えば、ミニ四駆などで使われている
直流モーター（DCモーター）
というものは「回転型モーター」といいまして、電気が流れると「回転運動」するわけですけれども・・・リニアモーターは電気が流れると
直線運動
するわけですね。
ちょっとイメージが湧かないと思いますが・・・画像をお借りするとこんなイメージ。
画像元：https://www.tdk.com/ja/tech-mag/knowledge/030
直流モーターは「回転する形になっているから」電気を流すと回転する、リニアモーターは「直進する形になっている」から電気を流すと直進する・・・と、一旦はイメージしてもらえれば（；^ω^）
まずはこのことをイメージしてからから。工作をしてみるといいのかなと！
リニアモーターの工作「準備編」
ということで早速工作を・・・参考にさせていただいたのが、こちらのWEBサイトです(・∀・)
今回準備したものはこちら。
・磁石（DAISO）
・プラバン（DAISO）
・両面テープ
・アルミテープ
・ストロー
・単一電池
・電池ボックス（今回はネットで購入・・・ホームセンターにもありますが、ダンボールとクリップでも作れます）
・アルミテープやプラバン、ストローを切るための道具
写真にアルミホイルが載っていますが、結構作るのが難しかったので「アルミテープ」を使ったほうがまだ楽だと思います（；^ω^）
また、プラバンは下敷きでも代用可能みたいですが、切るのが手間だと思うのでプラバンのほうが良いと思います。
これらを準備して完成したものがこちら。
電気を流すと、土台の上に乗っているストローが動き出す・・・そんな工作となっています！
リニアモーターの工作「磁石を並べる編」
材料を準備しましたら、まずは「プラバン」を以下のサイズに切ります。
・幅20mm（2.0cm） × 長さ285mm（28.5cm） 1枚
・幅35mm（3.5cm） × 長さ285mm（28.5cm） 1枚
そして「細く切ったプラバン」に、両面テープを貼ります。
両面テープを貼った後は、
磁石を15個
用意しまして。
先程両面テープを貼った細いプラバンへ、並べながら貼り付けていくのですが・・・このとき
磁石の極性を揃える
ことが大事になります！
磁石のN極、S極は判別できませんが・・・仮に上面がN極だった場合は「すべての磁石の上面がN極になるように並べる」必要がある、ということですね。
ここを間違えると上手く動作しなくなるのでご注意を（；^ω^）
1番分かりやすいのは・・・上の写真のように
磁石の山
をテーブルの上に置いておいて・・・その山の上側から1つずつ
ひっくり返すことはしないで
素直に両面テープへ貼り付けていくと、すべて同じ極性が上を向くことになります。
また、両面テープへ磁石を並べるときに
となり同士が反発する
ということも、同じ極性が上を向いているチェック方法の1つです。
それで出来上がったものがこちら(・∀・)
プラバンのサイズが間違っていなければ、おそらく収まるはずです。
リニアモーターの工作「レールを作る編」
続けて、「レール部分」を作ります。
今度は
・アルミテープ
・広いプラバン
を用意します。
先にアルミテープを切りましょう。
写真ではハサミなのですが、カッターが使えるお子さんならばカッターマットを用意して切るのもありです。
カッターで切る場合は、「裏にして切ったほうが」いいかもしれません(・∀・)
ということで、アルミテープは以下のサイズに切ります。
・幅5mm（0.5cm） × 長さ285mm（28.5cm） 2枚
それで、この切ったアルミテープを「広いプラバン」に貼るのですが
ここがめちゃくちゃ重要
でして・・・最終的にはこのようにプラバンの両端に貼り付けるのですけれども。
このとき、
あまりシワができないように
貼り付ける必要があります( ･`ω･´)
ここがシワシワになってしまうと、動作がうまく行かない可能性が高くなります・・・写真はまだ下手くそなのですが(笑)
とにかく「真っ平ら」に「綺麗」に「ゆっくり」と貼りましょう！！
それができたら、あとは並べた磁石の土台に両面テープを貼り付けまして。
この両面テープの上に、先程作成したアルミテープの
レールを上にして
合体させます。
このようにできたら、レール部分は完成になります(・∀・)
リニアモーターの工作「ストロー編」
ここまで完成したら、「ストロー」を
45mm（4.5cm）
くらいの長さに切ります。
それで、この切ったストローにもアルミテープを巻きつけていくのですが・・・ここでも、
シワができないように
巻きつける必要がありますな( ･`ω･´)
これも、シワができたりデコボコしたりすると動作しにくくなります・・・。
アルミテープは
ストローを1周できるくらい
のサイズに切りまして、そのアルミテープのフィルムをはがして、
テーブルに置いてコロコロ転がしながら貼る
と、シワができずに上手くいくのかなと。
こちらも、
ゆっくりコロコロ動かす
ことが大事ですね・・・できたモノがこちら。
「アルミストローだったのかな？」と思えるくらい綺麗に巻くことができたら、オッケーです！
「完成」・・・あとはコロコロ転がることを確認しよう！
ここまでできたらもう完成・・・あとは電池を準備して、レールに電気を流します。
まず、赤でも黒でもいいので、
片方のレール
にクリップをつけましょう・・・この写真では黒なので、黒をつけたとします。
そのあとは、写真のようにレールの上にストローを置いて、赤クリップの端子を残ったレールにタッチすると
ストローが動く
はずです( ･`ω･´)
向こうに進むか手前に進むか・・・とにかく動いたら成功です！
また、以下の写真のように、
両方のクリップを先につけておいて、そのレールの上にストロー置く
ことでも動きます。
ただ、こちらの場合はストローを置きっぱなしにしてしまうと、
レールとストローが熱を持つ
ため、ストローが動かない場合はサッと取り除いてください！
ちなみに・・・もし全然動かないという場合は、
アルミテープの接触面
を気にしてみましょう( ･`ω･´)
レールやストローの作成時に「シワがない」ようにアルミテープを貼る必要があったのですが。
このとき、アルミテープにシワやデコボコがあると、
電気が流れにくい
ということが起きてしまい、なかなかスムーズに動かない可能性があります。
その場合は、ちょっと手間になりますが、アルミテープを貼り直す必要がありますのでご注意を・・・。
上手く動いたら色々と遊んでみましょう。
それで遊び終わった後は
必ず電池を外す
ことは忘れないようにしてくださいね( ･`ω･´)
なぜストローが動くのか・・・「フレミング左手の法則」を使ってみよう
ここまででリニアモーターの仕組みを楽しめる工作は終わりなのですが・・・では、なぜ「電気を流すとストローが動く」のか。
また、「クリップのつなぎ方によって、進んだり戻ってきたり」するのかというと
フレミング左手の法則
を使うと分かります(・∀・)
画像元：https://juken-mikata.net/how-to/physics/fleming-left-hand-rule.html
ただ、この「フレミング左手の法則」は中学、高校ぐらいに学ぶものだと思うので、小学生にはちょっと早いかも(笑)
ちらっと紹介すると・・・例えば、以下のように
・磁場が上向き
・電流が右から左へ
となっていた場合。
この磁場と電流の向きに、先程の「フレミング左手の法則」の左手を合わせると、
親指の向きがクリップ側から進む方向
に向くと思います・・・親指が「力」なので、その方向に進むわけですな( ･`ω･´)
また、クリップを逆にして
・電流が左から右へ
となっていた場合。
これも磁場、電流の向きに合わせて「フレミング左手の法則」を使うと、今度は
親指の向きがクリップ側に戻る方向
になっていると思います・・・なので戻ってくるわけですな！
ちなみに、
・磁場が下向き
・電流が右から左へ
となっていたとしても、このフレミング左手の法則を使って力の方向を知ることはできます(・∀・)
まあ、もっと細かく言えば「ローレンツ力」とかなんとかあるのですが・・・一旦はここまでで(笑)
とりあえず、この力を活用して動いているのが「リニアモーター」のシンプルな仕組みですね！
もちろん、本物のリニアモーターカーはもっと複雑ですので、もし興味がある方はそこからもう少し勉強してみるのもありかも。
ということで今回は、「リニアモーター」の工作に関するお話でした(・∀・)
あとがき
ということで今回のお話のまとめ。
・「リニアモーター」の簡単な仕組みを学べる工作に挑戦したよ
・リニアモーターの「リニア」は「直線」という意味だよ
・リニアモーターは、一般的な直流モーターを開いて平にしたイメージをするといいよ
・工作を作るときは「磁石の向き」に気をつけたほうがいいよ
・工作を作るときは「アルミテープを滑らかにに貼る」ことを意識したほうがいいよ
・遊び終わった後は必ず「電池を外す」ことを忘れないように、だよ
・ストローが動くのは「フレミング左手の法則」を考えるといいよ
今回はコスト面も考えて、マンガン電池やアルミテープを使いましたが。
ちょっとお金を足してアルカリ電池や銅テープなどを使うと、もっと「ビューン！」と動くと思います(・∀・)
まあ、これだけだと寂しいので、例えばレールのプラバンのところに点数を書いて、どこまでストローが動くとか。
レールの先にゴールを置いておいてゴールを目指すとか、いろんな遊び方はできるのかなと！
自分も次のワークショップのために、もうちょっと面白いことができないか試してみたいと思います( ･`ω･´)
