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自由研究  ⇒ 気象

を研究テーマにする方法を考えてみましょう。

まず、天気図でどんなときに雨が降るか考えますが、一般的に言われている事以外に、視野を狭めて、あなたが住んでいる所ではどんな時に雨が降るのか? を考えることが重要です。

たとえば、雨が降る前には遠くの山や建物の見え方が変わるのか?
植物で花を閉じたり葉を変化するものがあるのか?
動物の動きは変化するのか?
天気予報が出される前、人間の歴史の殆どの期間は自分の身の周りの天気は 空や太陽や月、動植物、或いは自分の体の好調不調で予想していました。

このような予想方法を「観天望気」と言います。

雨が降り出したら、雨量、雨粒の大きさ、雨粒が落ちる速さなどを測定してみるとおもしろいです。
特に、降り出し始めから止むまでの間、時間ごとのこれらの変化を追ってみるのも楽しいかも知れません。
降り始めの雨粒の大きさや雨量、中頃の雨粒の大きさや雨量、止む頃の雨粒の大きさや雨量に特徴があるかも知れません。

雨粒の大きさを測るのは難しいですが、 和紙などの紙に「メチレンブルー」という青い色素のベンゼンで溶かした溶液を 染み込ませてよく乾かしておき、雨が降り出したら、その紙で短時間だけ雨粒を受けます。
すると、その紙に雨粒の染みが残ります。
これだけでは雨粒の大きさが判りませんから、注射器などで1ミリリットル、2ミリリットル、・・・
と量って水量が判っている水滴を作り、雨粒を受けたのと同じ紙に水滴を落とし、1ミリリットルの水滴なら直径○○ミリセンチの染みが出来るとメモしておき、 雨粒の染みを測って比べることで雨粒の大きさを推量します。

メチレンブルーは染料ですが、金魚や熱帯魚などの観賞魚が病気にならないように水槽に入れる殺菌剤として広く使われているので、メチレンブルーの水溶液は観賞魚の餌などの売り場 にあります。
また、顕微鏡で動植物の細胞や組織を見るときに、見やすくするために染める ためにも使われますので、学校にもあるかもしれません。
粉末状のメチレンブルーは薬局で取り寄せてもらえますが、1グラムで千円ぐらいするようです。

この方法では、雨粒を受ける紙の面積を決めておけば、たとえば1秒間に1平方メートルに○○個の雨粒が落ちたということも判ります。
雨粒の大きさか雨粒の水量がどんな形であっても残ればよいだけの話ですから、吸い取り紙を使ったり、乾いた粉の中に落としてみるとか、色々試してみてく ださい。

雨量は雨量計があればよいのですが、無い場合は、口の広いガラス瓶や缶を使ってみましょう。たとえば、口の直径が5cmの瓶で雨を受けたとします。
この雨水の量を計量カップで量って30立方ミリあったら、雨量は
瓶の口の面積は (5÷2)×(5÷2)×3.14 で約19.6平方センチ
1平方センチあたりの雨量は 30÷19.6から約1.5
雨量は15ミリとなります。

時間ごとの雨量を量るには、たとえば、10分ごと、30分ごと、1時間ごとに雨を受けている瓶から雨水を計量カップに移して記録してもよいで すが、瓶を幾つも並べておいて、時間ごとに1個ずつ室内に入れてしまっても良いでしょう。

雨粒の速度を測るのは非常に難しいです。
思いつく方法は、雨粒が見やすい壁から2mぐらい離れた場所に、デジタルカメラをその壁に向けて三脚で固定します。
そして、雨が降ってきたら、シャッターを開けている時間を、周囲の明るさに応じて15分の1秒か30分の1秒、60分の1秒にセットして、壁を背景に雨粒を撮ります。
焦点(ピント)は壁に合わせてください。
うまくいけば、雨粒が上下にぼけて写ります。
上下にぼけるのは、シャッターが開いている間に雨粒が落ちたからです。
高速で移動している車などを撮るとぼけることがあるのと同じです。

うまく撮れたら、次はシャッターが開いている間に何センチ下に落ちたか、が問題です。
速さの判っているものを、雨粒を撮った距離とシャッタースピードで撮って比較すれば良いのですが、速さが判っているものが手に入りません。

そこで思いついたのが、物の自由落下運動です。
自由落下というのは、高所から物を落とすときに力を加えないで落とすときの運 動です。
ビー玉や小石を人差し指と親指で横からつまんで落としたとき、指を離した時から t 秒後の速度は、重力加速度(9.8m/s/s)× t で 求められます。

1秒後なら秒速9.8m 2秒後なら9.8×2 で秒速9.6mです。

撮れた雨粒と同じ距離(カメラとの距離)とシャッタースピードで、落としたビー玉や小石を撮って比較すれば、雨粒の落下速度が判る理屈ですが、なお難しくなってしまいました。
半導体レーザーや光を感知するフォトトランジスター、ICなどで測定回路組んだ方が簡単でしょうか?


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