だれも押したり引いたりしていないのに、どうしてブランコはどんどん高く揺れ続けるのでしょうか?

監査専門家：羅慧謙

中国科学院物理研究所准研究員

ブランコといえば、誰もが知っているのではないでしょうか。ブランコは私たちの成長の喜びを運び、いつも良い思い出を呼び起こします。木片と 2 本のロープを使って、空中でスイングすることができます。しかし、スイングすると私たちをどんどん高く運ぶことができるのはどのような科学的原理によるものかご存知ですか?

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スイングの起源

スウィングスポーツは中国で長い歴史を持っています。太古の昔、私たちの霊長類の祖先は、野生の果物を採ったり、逃げたり、野生動物を狩ったりするために、木に登ったり、登ったり走ったりしながら峡谷を渡ったりしていました。彼らは本能的に、そして機械的に腕で蔓を掴み、蔓の揺れを利用して高いところから食物を得ていた。これが蔓の揺れの原型となった。

ミノア文明末期の遺物。ブランコに乗っている人々を示している。

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長い進化と進歩の期間を経て、人類の文明の時代に、初期のブランコが多くの場所に現れました。これは、ギリシャのミノア文明や春秋時代の中国北部の山容人など、多くの考古学的研究に反映されています。スウィングは徐々に娯楽の形態となり、スタイルもますます多様化しています。スウィングというスポーツは広く普及し、徐々に全国で人気を博し、一般大衆に歓迎されています。

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唐代と宋代には人々の生活水準が徐々に向上し、スウィングスポーツはその後、祭りのカーニバルイベントや娯楽の手段へと発展しました。清明節は「ブランコ祭り」としても知られています。ブランコに乗るとあらゆる病気を追い払うことができるという伝説もあります。

清明節には人々は外出し、竹でブランコを作って踊ったり遊んだりします。現在、中国ではブランコは数千年の歴史を持っています。彼らは王朝の興亡を目の当たりにし、国家に痕跡を残しました。ブランコは、機能性と娯楽性を兼ね備えた芸術として発展し、多くの美しさを備え、目を楽しませ、興味深いものとなっています。

スイングは物理的な現象である

ブランコは実は単純な機械システムとみなすことができます。それは 2 つの外力の影響を受けます。1 つは垂直下向きの重力です。もう 1 つは、スイングロープの方向に沿った拘束力です。ブランコで遊ぶ最も簡単な方法は、ブランコの板に座って、誰かが強く押すのを待つことです。このときのブランコの動きは単振り子の動きと似ていますが、空気抵抗と摩擦抵抗がブランコ​​の揺れを阻害するため、ブランコの振幅はどんどん小さくなり、ついには止まってしまいます。

このとき、人が外力を加えてブランコを連続的に押すと、ブランコはどんどん高く振れていきます。スイングが最高点に達したとき、スイングの継続方向に外力を加えると、スイングはさらに高くなります。しかし、ブランコの動きと反対方向に力が加わると、外力によってブランコの動きが妨げられ、高さが低くなります。

ブランコに乗ると、下に向かって揺れるときに一瞬無重力のような感覚があり、緊張したり恐怖を感じたりすることがあります。ブランコがどんどん高く振れてから急に下に振れると、人体は遠心力の影響を受け、下腹部に軽い圧迫感を感じ、尿意を感じるようになります。ブランコに乗りながら緊張や恐怖を克服すると、自制心が高まり、心身の健康に良い影響があります。さらに、頻繁にスイングする人は、車やボートに乗っているときにめまいを感じる可能性が低くなります。

より高くスイングするにはどうすればいいでしょうか?

地面からの外力に頼らず、いかにスイングを安定させ、より高くスイングし続けるかは、スイングスポーツに参加するすべての人が目指す目標です。

ブランコに乗っている人を観察すると、どんどん高くブランコに乗っている人は常に立ち上がったりしゃがんだりしていることに気がつきます。現時点では外力はありませんが、人々の行動によってシステムのエネルギーは実際に増加します。したがって、抵抗を考慮すると、人体の動きによって機械的エネルギーに変換されるエネルギーが、抵抗を克服するために仕事をすることによって消費されるエネルギーよりも大きい限り、ブランコはどんどん高く振れます。

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人体の重心とスイングシステムは質点として簡略化できます。姿勢の変化により重心の位置が変わります。膝を曲げてしゃがんだ状態では重心が低くなり、脚を伸ばして立ち上がる状態では重心は高くなります。ブランコは高いところにあります。人が立っている場合、システムの重心は最も高くなり、重力による位置エネルギーは最大になり、運動エネルギーは最小になります。

ブランコが高い位置から振り返られると、人はしゃがみ始め、重心が下に移動します。システム全体の重力位置エネルギーは絶えず運動エネルギーに変換され、スイングが最低点に戻るまで速度はどんどん速くなります。速度は最速となり、システムの運動エネルギーは最大となり、重力による位置エネルギーは最小となります。このプロセス中に人がしゃがまなければ、システムの運動エネルギーはそれほど増加せず、代わりに抵抗によって継続的に失われます。

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ブランコが最低点から上に振れると、人は急に立ち上がるため、重心が上がり、位置エネルギーが増加し、運動エネルギーの減少速度が遅くなります。システムの総機械的エネルギーは実際に増加し、最終的にはスイングは前回よりも高くなります。これは、人体が重力に打ち勝って仕事をするために自身のエネルギーを消費するためであり、そのため、足が非常に硬く感じられ、長時間座っていると非常に疲れを感じることになります。

下の図に示すように、揺れの過程は単振り子運動として捉えられ、赤い部分が前半、青い部分が後半となります。前半よりも後半のスイング角度が大きくなるように自身の状態を変化させることで、より高くスイングできるようになります。エネルギーは、脚を引っ込めたり放したりするときに行われる作業から生まれます。

スイングプロセスの簡単な図 出典: インターネット

このことから、ブランコを振るにも技術の習得が必要であることがわかります。ダウンスイング中は膝を曲げてしゃがみ、重心を下げます。アップスイングの際には、足を押し上げて立ち上がることで重心を上げ、スイングがどんどん高くなっていきます。ブランコに乗るときは、ロープを両手で持ち、ブランコが上下するときに力を加える必要があります。全体のプロセスは、上下のスイングを実現するために、主に腰、脚、ヒップの強さに依存しています。

ブランコは長い歴史とシンプルな構造を持ちますが、そこには豊富な身体的知識が詰まっています。中国文化では、ブランコは健康と幸福の美しい意味も表します。勉強や仕事が終わったらまたブランコに乗って、悩みを吹き飛ばし、笑いを取り戻しましょう。