ジャバラホースの鳴る秘密を探る（中学校の部　1等賞） | 入賞作品（自由研究）

第41回入賞作品　中学校の部
1等賞

ジャバラホースの鳴る秘密を探る

茨城県稲敷郡江戸崎町立江戸崎中学校 3年
伊藤　かおり　他3名

ジャバラホース、音、空気、振動、グループ研究

茨城県稲敷郡江戸崎町立江戸崎中学校 3年
伊藤　かおり　他3名
第41回入賞作品
中学校の部
1等賞

動機

宮本先生が子供の頃、ジャバラホースを回して遊んでいると
「フォー」という音が鳴ったそうです。
なぜ鳴るのか疑問に思った私達は、早速これについて研究することにしました。

実験

1．ジャバラホースの音の鳴り方を調べる

目的

①	普通のホースと比較する。
②	ジャバラホースの種類を変える。
③	ジャバラホースの長さを変える。
④	ジャバラホースの太さを変える。
⑤	ジャバラホースを回す速さを変える。

仮説

①	普通のホースでは、音は鳴らない。何故なら空気はただまっすぐに流れるだけで、振動しないと考えられるから。
②	太さ・長さ・ジャバラの形まで違うと、音の高さ・大きさも違ってくる。何故なら、空気の振動の仕方が違ってくると考えられるから。
③	長さが長い程低い音が出る。何故なら長いホースの中を空気が通りぬけるとすると、空気の速度は遅くなり、振動数も少なくなると考えられるから。
④	太さが太い程低い音が出る。何故をら空気の通り道が広い分、空気は通りやすくなり、それによって空気の振動数が少なくなると考えられるから。
⑤	回す速さが速い程高い音が出る。何故なら回す速度が上がることによって空気の振動数が増えると考えられるから。

方法

①	普通のホースとジャバラホースを、1秒間に1回の速さで回した。
②	ア．直径2．5cm長さ130cm　ジャバラの形イ．直径2．0cm長さ110cm　ジャバラの形　　　ウ．直径1．8cm長さ210cm　ジャバラの形　　　の3種類のジャバラホースから出る音をオシロスコープに映し、写真に撮った。同様にして写真に撮ったピアノの音と比較した。
③	直径1．5cmジャバラの形の長さ85cmと65cmの2本のホースを回して、音の変化を比較した。音階を作るため、速さを変えた。
④	長さ110cm　ジャバラの形の直径 2．5cmと2．0cmの2本のホースを回して、音の変化を比較した。音階を作るため、速さを変えた。
⑤	長さ 130cm直径2．5cmジャバラの形のホースを1秒間に2回まわした時と、1秒間に4回まわした時の音の変化を比較した。

結果

①

普通のホースを回すと、風がうなるプンプンという音だけがして、ジャバラホースのように音は鳴らなかった。

②

ア、イ、ウすべて速く回せば回すほど高い音が出て、遅く回すほど低い音が出た。ア、イの場合、6段階の規則的な音（ドレミ…）ではなく、飛び飛びな音が出た。ウの場合は5段階でこちらも飛び飛びの音が出た。
チューナーを使い、ジャバラホースの音階を調べたところ、次のような結果が出た。

周波数はゾロ日で不湿別に増加していた。平均して約 1．2倍ずつであった。
アとイでは1、3、5、6段階目の音が同じ音で、アとウ、イとウでは同じ音が出る段階は無かった。

③	長さを変えて回しても同じ様な音が出た。ただ、長い方が大きく、短い方が小さい音が出た。
④	太さを変えても同じような音が出た。太い方が大きく短い方が小さい音が出た。
⑤	1秒間に4回回した時の方が音が高くなった。不規則な上がり方だった。

2．ジャバラホース内の空気はどうなっているのか調べる

目的

ジャバラホース内の空気の動きを明らかにする。

仮説

ジャバラホースを回した時の空気の動きは、手で持っている方からホースの先に流れている。

方法

1）①ジャバラホースに袋をつけて回した。

2）②1）の実験で片方の口を塞いだ時、音が出るのか調べた。
③～⑤ジャバラホースをゴムで次頁図のようにとめて、Aの方を持ってそれぞれ回した。

結果

①	Aの方を持って回した時、袋はふくらみ、Bの方を持って回した時、袋はしぼんだ。
②	ジャバラホースの片方の口を塞いで回すと音は出なかった。
③	音は鳴りにくく、きれいな音ではなかった。音が小さかった。
④	③と同様鳴りにくく小さい音しか出なかった。
⑤	さらに鳴りにくく小さいかすかな音だった。

3．ジャバラホース内の空気の流れ方を明らかにする

目的

①	ジャバラホース内の空気の流れをモデルで明らかにする。
②	ジャバラの間隔を変えた時の空気の流れをモデルで明らかにする。

仮説

①	空気はジャバラホース内の壁にぶつかってはね返りながら、進んでいく。理由は、普通のホースでは音が出ないとすると、ジャバラの構造を生かした独特の動きが起こると考えられるから。
②	空気の揺れる回数や振幅の違いにより音の高さや大きさなどは変わる。

方法

①

下図のような装置を作り、なるべく高い所に設置して水道からホースAをつなぎ、木の箱の中に水を流し込んだ。別のホースBを箱の中に入れ、水が流れ出るようにした。ホースAから出る水の流れを空気の流れに見立て、ホースC（ジャバラホースを短く切って縦に切断して開いたもの）の上を水が流れる時の水の動きを見た。水の動きを詳しく見られるように黄色いチョークの粉を浮かべた。

②

Cのジャバラの間隔を狭くした時の水の動きを観察した。

結果

①	ジャバラの凹凸の部分でくるくる回っていて、向きは上下逆向きだった。

②	動きは1）と同じだった

全体の考察

①	ジャバラホースを回すと音が鳴る原因

片方が閉じた試験管のようなものの口に平行に空気を送るとある決まった音が生じて管内で響く。これは管の口で空気が振動し、発生した音の中である決まった波長の音だけが響くことができるためである。この現象をジャバラホースに置き換えて考えてみた。ジャバラホースを回すことによって、ホース内に空気の流れが起こる。その空気がジャバラの山の部分に当たって振動し、音が鳴ると考えられる。

②

音が飛ぶ原因

　ジャバラホースのジャバラを溝として考えると、溝の底の中心で音が反射した時、波のピークが溝の入り口と一致するような波長の時に音が出る。
　ジャバラ内で響くことのできる音の波長は、溝の探さの4/2n+1倍（nは溝の入り口と底との間で波長のピークが壁面と一致する回数）となっていることが分かった。

例1

例2

例3

例1の場合：壁面と一致する場所は0ヵ所。波長は溝の探さの4／1倍である。
例2の場合：壁面と一致する場所は1ヵ所。波長は溝の探さの4／3倍である。
例3の場合：壁面と一致する場所は2ヵ所。波長は溝の探さの4／5倍である。
これが、音が飛び飛びになる理由である。

指導について

指導について茨城県稲敷郡江戸崎町立江戸崎中学校　宮本　卓也

　「洗濯機の排水ホースみたいなジャバラホースをぶんぶん回すと音が飛び飛びで鳴るんだよ」。何気なく生徒に話した昔のおもちゃの話に4人の生徒が目を輝かせました。実際に生徒たちがジャバラホースを家から持ってきて振り回しているうちに、「なぜ音が出るんだろう」「なぜある速さを超えると音程が急に変化するのだろう」といった疑問が4人の間に生まれ、研究を始めることとなりました。音という身近なものについての研究でありながらも、まだ学習していない部分にまで踏み込む可能性のある難しいテーマでしたが、ジャバラホースから音が鳴るメカニズムを探るために、何に注目するべきか。そしてそれを調べるためにどうすればよいかということ、そして、発生する音の高さを法則化できないかということを中心にアドバイスしていきました。私も混じって一緒に悩み、今回このような賞をいただくことができたことを、生徒共々心から喜び、そして深く感謝しております。今後も、深究する心を大切にしながら、自然の不思議を見つめていきたいと思います。

審査評

審査評[審査員]　高家　博成

この研究はジャバラになった筒を振り回す、音が出るというヒントをもとに筒の太さやジャバラの波状構造の違いによって、どのように変化するのかを解明したものです。
　空気の流れを解明するさまぎまなアイデアや、水の流れから考察するなど、興味深く思われました。
　この結果、ジャバラの筒の長さや太さより波状構造が大きく関与していることが分かりました。大変面白い研究だと思います。
　もし、ジャバラの形を工夫すると、さらに変わった音を作り出すことができるかもしれませんね。また、筒を振り回すのでなく、筒に空気を送り込む方法の工夫もしてみたらいかがでしょう。

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