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なぜ人工衛星は落ちて来ないの?

天体観測,人工衛星
天体観測,人工衛星

受験にどう役立つ?

なぜ人工衛星は落ちてこないのか。

人工衛星が宇宙に浮かんでいるというのを小4くらいで習うと,子どもは必ずと言って言い程疑問に思うのがこれ。

この原理を理解するだけで,重力遠心力力のつり合い空気抵抗摩擦エネルギー損失人工衛星の役割GPS弾道ミサイルと言った所に関連付けられます。

先日もそのような疑問から授業をしましたのでちょっと紹介。

なんで落ちてこないの?

以前の塾では「重力と遠心力が釣り合って…」という説明を受けたらしいのですが,今思うとよくわからないとのことでした。

そういう場合はキャッチボールの話をすると大抵の理解してくれます。

ボールを投げると,ボールは放物線を描いて落ちていきます。

これを図に書かせます。

これを間違える子はあまりいません。

次のそのボールをもっと遠くに投げたらどうなるか,を書かせます。

すると線を伸ばして遠くへ飛んでいる図を表します。

人工衛星が落ちてこない理由

もっともっと遠く,というと,直線にしてしまうので,落ちてこないのはおかしいでしょ,ということにして,今度は地球を書かせます。

縮尺を変えて,地球規模の図にするということです。

この状態で,投げたボールがどうなるかを書かせると,あるとき,ボールは落ちているのに,地球が丸いから落ちても落ちても地球とぶつからない,つまりボールが落ちてこないことを実感できます

これが人工衛星が落ちてこない原理です。

専門用語を使うと?

地球には重力があり,人工衛星はそれにひかれて落ちてきます。

しかし人工衛星に速度をつけてあげると遠心力が働きます。

これはバケツの中に水を入れて振り回しても水がこぼれないのと同じ原理ですね。

重力は下に働きますが,バケツを回すことで発生する遠心力が,水をバケツの底に押し付けるのです。

この2つの力の内,重力の方が大きければ,人工衛星は次第に落下してきます。

遠心力の方が強ければ,地球の外へ飛び出して行ってしまいます。

丁度いい具合に釣り合わせる(速度をつける)と,落ちもせず,飛んでいきもせず,で回っていられるのです。

空気抵抗ってなに?

これは走っている車の窓から,ちょっと手を出して見れば感じることができるでしょう。

※やるなら絶対に危険がないように,安全確保をした上で,自己責任において行って下さい。

空気にも重さがあり,動くことで空気がぶつかってきて,それが速度を落としてしまうのです。

これを空気抵抗と言います。

この空気抵抗があると,人工衛星もブレーキがかけられてしまうため,速度が落ちていって落下してしまうのです。

よって人工衛星を処分するときは,地球に落とすといいますが,下に向かって速度を出すわけでもたたきつけるわけでもありません。

ただ速度を落とすだけで,次第に落下していくのです。

なお,地上に落ちる前に燃え尽きてしまうようになっているはずです。

事故や計算ミスがなければ,の話ですが。

人工衛星の役割って?

様々な役割がありますが,押さえておいた方がいい役割としては,気象観測GPS

気象衛星ひまわり

日本の気象衛星は2020年現在,ひまわり7号,ひまわり8号が運用されており,2022年からひまわり9号が運用される予定です。

名前の由来は,ひまわりがいつも太陽の方向を向いているのと同様,いつも地球の方を向いているから。

ひまわりは上空約35,800km地球の自転速度と同じ速度で回っており,移動しない事から静止衛星と呼ばれます。

その撮影範囲はなんと全球。

もちろん日本付近の静止衛星なので,地球の裏側,つまりヨーロッパやアメリカ大陸は見えませんが,その解像度はなんと500m。

全球を見渡せる位置からでも,拡大するとディズニーランドが見えるくらいまで拡大できるということです。

まぁハッキリ見えるわけではなくて,ディズニーランドが点数個分として見える程度ですが,これを身近なものに置き換えたらそのすごさがわかるかと。

1mm程度の隙間がある1cm程度の大きさの文字(小学校1年生の教科書の文字)なら,70m先から読めるということになります。

GPS

GPS(Global Positioning System)というのは,簡単に言えば,上空にある数個の衛星との位置関係から,今どこにいるかを出すシステムです。

震度から震源の場所を出すのと同じような原理です。

GPS衛星は静止衛星ではなくずーっと移動していますが,日本上空を考えた場合,大体6~10個程度は電波を受信できるようになっています。

時々GPSの計算を元にした入試問題が出るので,計算の概要だけでも学んでおくといいでしょう。

なお,GPSの誤差は10m程度で,他のシステムと組み合わせることで,数cm単位の誤差にまで縮めています。

日本の運用する準天頂衛星システム(GPS衛星)は「みちびき」といい,4号機まで運用されています。

弾道ミサイルってなに?

その名の通り,弾が飛んでいく道のような飛び方をするミサイルです。

銃弾は発射されると,その後エネルギーを得ずに重力に任せて飛んでいきます。

つまり,発射時点で方向,打ち出す強さ,天候を計算に入れて発射しなければならず,一度発射したら修正がききません

北朝鮮がやたら弾道ミサイルの実験を繰り返していますが,正確に打ち出すには高度な技術が必要なためです。

仕組みは簡単なので理解させたいところ

人工衛星にせよGPSにせよ,今の最先端技術なのでそれなりに難しい技術ですが,根本となる技術自体は小学生でも理解できる内容です。

親が説明するとなると,説明自体は大丈夫でも,子どもが理解できるように話せるかは別問題

ハードルは高いので無理する必要はありませんが,喧嘩にならない程度に話して興味を持たせられれば,受験にも十分生きてきますよ(^^)/

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東京,千葉,埼玉を中心に独自の教育論,常識外れの教育手法を用いて大手進学塾や個別指導塾,家庭教師といった教育機関で多数のミラクルと言われるような合格を打ち出す。2015年に株式会社学習法指導塾PHIを設立し,子供たちへ勉強のやり方の指導を初め,親への接し方の指導,セミナー活動,高校や大学での指導,塾や学校の先生などの教育者に対する指導,動物介在教育など多岐にわたって教育業に携わる。

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