記事一覧

ブログを引っ越します!

こんにちは!NSIの岩山です。

タイトルの通りですが、ブログを引っ越します。

新しいURLは

http://nsi.hateblo.jp/

です。
タイトルは「新・身近な科学」と、とってもわかりやすくなっています。

新しいブログでも、これまでと同様に科学に関する話題をつづっていきますので、どうぞよろしくお願いします♪

同じ色には見えない2匹の犬

こんにちは!NSIの岩山です。

まず、下の動画を見てみてください。
青い犬と黄色い犬、2匹が映っています。

いかがでしたか?

実は、青と黄色に見えていた2匹の犬は、まったく同じ色をしているんです。
もちろん、トリックや映像の細工ではありません。

なぜこんなことになるのでしょうか?

人間の目は、色を認識するときにただそのものの色だけを見ているわけではありません。
それを囲む周囲の色とのコントラストも、色の認識に大きく影響しています。

同様の現象を利用したものとして、「チェッカーシャドウ錯視」があります。

Grey square optical illusion

(wikimedia commonsより転載)

AとBの2つの領域の色はまったく同じなのですが、周囲の領域や影っぽいものの影響によって違う色に見えています。

動画に登場した犬たちは、青と黄色のグラデーションの背景の上に乗っています。
そして犬たちは、よく見てみるとグラデーションの真ん中あたりと同じ色をしています。
動画の2秒あたりに、一瞬だけ右の犬と背景が同化する瞬間があることからもわかると思います。

その瞬間の位置を境に、それより犬が上にいるときは背景がより黄色くなるため犬は相対的に青く見え、下にいるときはその逆で犬が黄色く見えてしまうのです。

試しに、手を握って小さな隙間を作り、そこから犬の色を覗いてみてください。
犬が移動しても、色は変わらないはずです。

さて、この仕掛けは、もともとNSIが実験教室を実施したときに展示したものです。
先日サイエンスアゴラに出展した際、実験教室での展示の例として置いておいたところ、来場した方にとても好評を博したものでした。
動画を撮ってtwitterでつぶやいてくださった方もいたので、ひょっとしたらすでに見たことがあったという方もいるかもしれません。

そして、「自分でも作ってみたい」「子どもたちに見せたい」といった声をいただいたので、みなさんに使っていただけるよう、データを公開しています。

下記のリンク先にPDFで置いてあるので、興味を持った方はぜひダウンロードしてみてください。

NSI作成コンテンツ

ちなみに、クリエイティブ・コモンズの「表示・非営利」ライセンスで提供しているので、
・原作者名(NSI)を表示すること
・営利目的では使わないこと
を守っていただけさえすれば、自由に使っていただいて構いません。

ぜひ、この驚きを実際に体験してください(^^)

浮沈子のふしぎ~浮いたり沈んだりするサカナ~

 浮沈子(ふちんし)というおもちゃを知っていますか?浮沈子とは、浮いたり沈んだりする「浮き」のことです。浮沈子は、家でも簡単に作ることができます。浮沈子の完成図と、材料・作り方は以下のとおりです。

<浮沈子完成図>

ファイル 11-1.jpg

<材料>
サカナ型プラスチックしょうゆ入れ(小1個)(以下「サカナ」)、エナメル線などのやわらかい針金(約40cm、太さ0.3~0.6mm程度)、ペットボトル(500mlサイズ1本)

<作り方>
※下図も参照してください。
1.サカナの口に針金を巻きます。
2.サカナに水を入れて、水を入れたコップにサカナを浮かせます。このとき、ちょうどしっぽが水面に浮くように水の量を調節します。
3.ペットボトルに水をいっぱいまで入れ、サカナを入れます。ペットボトルのふたを閉めます。

ファイル 11-2.jpg

 さて、できあがった浮沈子を使って実際にサカナを浮き沈みさせてみましょう。ペットボトルを握ると、あらふしぎ、サカナは沈んでしまいます(上図4参照)。今度は握った手をゆるめてみましょう。そうすると、再びサカナが浮いてきます(うまく浮き沈みしない場合は、サカナに入っている水の量を調節してみましょう。ちょうどうまく浮き沈みする量が見つかるはずです)。ペットボトルの中のサカナは、ペットボトルを握ったり手をゆるめたりすることにより、浮いたり沈んだりするのです。

 では、なぜペットボトルの中のサカナは浮いたり沈んだりするのでしょうか?その答えを導くカギは、サカナの中に入っている「空気の体積」にあります。ペットボトルを握る前と握っているときの、サカナに入っている空気の体積をよく見てみてください。ペットボトルを握ると、サカナに入っている水の水面が上がり、空気の体積が小さくなっていることがわかります。実はこれこそが、サカナが浮き沈みする秘密なのです。

 ペットボトルに入っているサカナは、「浮力」という力で浮いています。浮力とは物体が水中で受ける力のことです。水中の物体は、物体が押しのけた水の重さに等しい浮力を受けます(アルキメデスの原理)。このことから物体は、物体が押しのけた水の体積が大きければ大きいほど、大きな浮力を受けるということがいえます。サカナに当てはめてみると、「物体が押しのけた」部分は「空気の体積」に当たります。つまり、空気の体積が大きいほど、押しのけられる水の体積は大きくなり、浮力は大きくなるのです。

 それでは、サカナが浮き沈みする一通りの流れを見てみましょう。ペットボトルを握ると、ペットボトル中の水の圧力が増します。それによって、サカナが受ける圧力が増加し、サカナはつぶされてしまいます。すると、サカナの中の空気がつぶれ、空気の体積が小さくなります。これにより、サカナの浮力が小さくなり、サカナは沈みます。さらに、ペットボトルを握った手をゆるめると、サカナが受ける圧力が下がって元に戻り、サカナは再び浮いてくるのです(下図参照)。

ファイル 11-3.jpg

 ペットボトル中のサカナは、空気の体積が変化することにより、浮いたり沈んだりしているのです。実は実際の魚も、魚の体内にある「うきぶくろ」中の空気の体積を変化させることにより浮き沈みしています。プラスチックのサカナも、実際に泳いでいる魚も、空気の体積の変化で浮いているなんて、なんだかおもしろいですね。


<参考文献>
左巻 健男、内村 浩著『おもしろ実験・ものづくり事典』(東京書籍)
--------------------------
人気blogランキングへ←ここをクリックしていただけるとうれしいです!

メビウスの帯のフシギ

 みなさんは、「メビウスの帯」という帯を知っていますか?メビウスの帯(図1)は、1858年にドイツの数学者によって発見された、フシギな性質をもった帯です。
ファイル 10-1.gif
 メビウスの帯の「おもて」を、帯にそってたどってみてください。1周すると、「うら」の面に来てしまいますね。メビウスの帯は、「おもて」も「うら」もない帯だったです。


 メビウスの帯は、図2のように帯を半回転ねじって、両端の表と裏を貼りあわせて簡単に作ることができます。一方で、何もねじらないで貼りあわせると、普通の帯ができます。(飾り付けでよく使うようなごく普通の帯です。)
ファイル 10-2.gif

 メビウスの帯は、普通の帯と決定的に性質が異なるのですが、それを示す面白い実験があります。それは、帯を中央で切り分けてしまうことです。(この実験は、なかなか興味深いので、ぜひやってみてください。)

 まずは、普通の帯の中央に線を引いて、その線にそって切ってみることを考えましょう。当然、2つの帯にわかれますね。(図3上)
 同様のことをメビウスの帯でもやってみましょう。メビウスの帯は2つにわかれるでしょうか?なんと、驚いたことにメビウスの帯は2つにわかれません!!切り分けたはずの帯は、すべてつながっていて、1つの大きな帯となってしまいました。よくみると、その帯はとてもねじれていることがわかります。(図3下)
ファイル 10-3.gif


 どうして、普通の帯では2つに分かれたのに、メビウスの帯は分かれず、1つの帯になったのでしょう。それぞれの帯を中央線で2色に分けると、その理由がよくわかります(図4)。

 普通の帯の場合、図4にあるように、ねじっていないため、白い部分と白い部分同士、黒い部分と黒い部分同士つながり、輪ができることがわかります。白い部分と黒い部分は互いにくっつかないため、2つの輪はわかれてしまいますね。
 一方で、メビウスの帯は、黒い部分と白い部分が、また別の白い部分と黒い部分がつながることがわかります。黒い部分と白い部分が互いにつながり合うために、大きな輪ができるのですね。
ファイル 10-4.gif


できた大きな帯は、なぜねじれる?
 私たちの行っている科学実験教室でも、このメビウスの帯の実験を行いました。そのときも上の説明をしましたが、参加者から「(メビウスの帯を切ってできた大きな帯は)なんでねじれているの?」という質問をいただきました。(なかなかするどい質問ですね!)

 これは、次のように考えるとわかります。図5は簡略化して描いた普通の帯とメビウスの帯です。
ファイル 10-5.gif

 普通の帯は、もともとねじっていないわけですから、2つに分けた帯もねじれはありませんね。
 一方のメビウスの帯は、半回転ねじってあります。図5の右図のように、これは2つにわけたときに2回分のねじれにあたります。半回転が2つですから、1回転のねじれとなるわけです。


文責:辻 順平

<参考文献>
Clifford A.Pickover著 吉田三知世 訳 『メビウスの帯』(日経BP社)


--------------------------
人気blogランキングへ←ここをクリックしていただけるとうれしいです!

サイエンス・コミュニケーション

 皆さんは,コミュニケーションと聞いて,どんなことを思い浮かべるでしょうか?

 私たちは,日常生活の中で,様々なコミュニケーションを行っています。たとえば,普段の会話もコミュニケーションです。また,テレビや新聞,雑誌などもコミュニケーション手段の1つです。
 一口に,コミュニケーションと言っても,双方向かつ即時的なコミュニケーション(例:会話,電話など)もあれば,双方向でも時間のかかるもの(例:手紙,メールなど)もあります。また,一方向のコミュニケーション(例:テレビや新聞,本など)は,伝える側とそれを受け取る側がいますが,受け取った側からのアプローチは,なかなかできないという特徴があります。


 私たちは科学実験教室もコミュニケーションの一種であると考え,子どもたちを対象とした,科学実験教室を行っています。
 では,科学実験教室は,どんな特徴をもったコミュニケーションなのでしょうか?


 実験教室に参加してくれた方には,私たち 実験教室の運営者から,実験についてや,自然科学についての情報を提供することができます。また,私たちの実験教室は対話を基本としていますので,参加者からの質問にも答えることができ,双方向のコミュニケーションを考えることができます。

 しかし,私たちは実験教室の場だけで終わってしまうものではなく,もっと広いコミュニケーションを目指しています。

ファイル 9-1.jpg

 上の図は,私たちが実験教室を通して成し遂げたいコミュニケーションを図示したものです。
 大学生と小学生,保護者とは,実験教室の場でコミュニケーションを取ることができます。小学生と保護者は各家庭で実験教室の話題を通してコミュニケーションを取ることが可能でしょう。
 このコミュニケーションの真ん中に位置しているものが,サイエンスコミュニケーション,すなわち私たちが行なっている実験教室です。実験教室を通して,これら三者が連携をとりながら,身近になっていけば,私たちと同じように理科や自然科学が好きな人が増えると考えています。
 また,学校の先生や科学館・博物館の学芸員とも違う,現役大学生と接することで,大学自体や大学生のイメージを創ることもできると考えています。小学生が将来 進路を考える上で,何らかの影響を与えることができるでしょう。


 このブログも,一人でも多くの人に理科や自然科学に関心を持ってもらえたらという思いから,運営しています。

 ブログもコミュニケーションの1つのツールとして活用することは可能です。ブログの特徴の一つは,コメントやトラックバックを利用して,双方向コミュニケーションが行えるということです。このブログを通して,私たちと皆さんが,科学の話題で盛り上がれることを願っています。


 今回は,自然科学というよりも,社会科学・人文科学に近い話題になりました。一般的に「科学」というと,「自然科学」をイメージしますが,社会科学や人文科学もれっきとした「科学」です。私たちのメンバーには,文系学部の学生もいます。自然科学のみならず,広い意味での科学を紹介して行けたらと考えています。


文責:寺前洋生

--------------------------
人気blogランキングへ←ここをクリックしていただけるとうれしいです!

エントロピー

整理整頓された部屋と散らかった部屋とでは、気分が違うことでしょう。綺麗に片付いた部屋の方が、気分がよくなり、仕事や勉強もはかどるということは誰もが経験することだと思います。
このような、部屋が散らかっていることと片付いていることの違いは、気分や感覚的なものばかりではありません。実は、物理学に、散らかり具合を表す量(物理量)があります。これが、今回のテーマである「エントロピー」という量です。

エントロピーという量は、部屋の散らかり方だけを表すのではなく、より一般には、乱雑さや無秩序さの度合いを表す物理量であると解釈されています。この言葉を使うと、散らかっている部屋は「エントロピーが大きい」、片付いている部屋は「エントロピーが小さい」と表現することができるのです。
このエントロピーという量は、物理学の中でどのように発見され、解釈されたのでしょうか?

物理学の分野のひとつに、熱力学があります。熱力学とは、熱に関する現象を対象とした学問で、産業革命以降、蒸気機関のような熱機関を研究することで発展しました。
エントロピーは、熱力学を研究されている過程で、クラウジウスという人によって発見されました。19世紀の半ばのことです。クラウジウスは、熱機関の理想的なモデル(カルノーサイクルといいます)について研究していたところ、「熱量」を「温度」で割った量が普遍的な量であることに気付き、エントロピーが発見されたのです。このように、当初、エントロピーは熱や温度に関係のある物理量だと考えられていました。現在のように、乱雑さや無秩序さを表す量であると解釈されるのは、これより少し後のことです。

熱力学は、熱的な現象を、原子や分子などを考えずに、ありのままに扱う学問です。しかし、実際には、みなさんがご存じのように、全ての物質は多数の原子や分子で構成されています。固体は原子や分子が並んだままそこからあまり動かないでいる状態で、気体は多数の原子や分子が自由に飛び回っている状態です。
ファイル 7-1.gif
19世紀の終わりごろには、このように物質が多数の原子・分子からできていると考えられるようになりました。そして、クラウジウスが発見したエントロピーは、原子や分子がどれだけ散らばっているのか、つまり、分子運動の乱雑さを表す量であると解釈されるようになったのです。
このような過程を経て、現在では、エントロピーは乱雑さや無秩序さの度合いを表す量であると解釈されています。この後に、エントロピーは情報にも関係することが指摘されました。「分子運動の乱雑さ・無秩序さ」ではなく、「情報のあいまいさ」を表す量としての情報論的エントロピーです。

次回は、情報論的エントロピーについて書きたいと思います。

<参考文献>
砂川重信著『熱・統計力学の考え方』(岩波書店)
細野敏夫著『エントロピーの科学』(コロナ社)
マーティン・ゴールドスタイン、インゲ・F・ゴールドスタイン著、米沢富美子監訳
『冷蔵庫と宇宙 エントロピーから見た科学の地平』(東京電機大学出版局)

--------------------------
人気blogランキングへ←ここをクリックしていただけるとうれしいです!

情報とビット ~情報を科学する~

今回は情報のお話をしたいと思います。“情報”と言われても、なかなかピンと来ない方も多いと思われますが、私たちの生活には情報が必要不可欠なものとなっています。
かくいう私も、このブログを通してみなさんに、“文字情報”や“画像情報”をお送りしているわけです。

情報とコンピュータは切っても切り離せない関係にあります。というのも、情報を送るにも、情報を理解するにも、情報を保存するにも、コンピュータが用いられるからです。今回は、コンピュータの中でどのように“情報を処理”しているか、に焦点を当ててお話します。

まず、コンピュータでは情報を“デジタル情報”として扱います。
コンピュータは「0と1」の2通りのパターンで情報を認識していることは、どこかで聞いたような話かと思います。0と1で表す情報のことをデジタル情報と呼びます。
画像や音声といった情報を、デジタル情報に変えるには、様々な方法が取られます。
文書情報は1文字1文字をアスキーコードといった変換形式で、音声情報は*サンプリング、**クォンタイズといった過程を経て整数列に置き換えられます。どちらも最終的には0、1の数列として処理されます(図1)。
ファイル 4-1.gif

*サンプリング(標本化)・・・一定時間幅で音の信号を採取して記憶すること。CDでは1秒間に44100回サンプリングしている。サンプリング回数が多ければ多いほど元の信号を再現することになるため音質がよくなる。

**クォンタイズ(量子化)・・・音源の信号値(縦軸)を決められたとびとびの値に近似し端数を切り捨てる工程。CDでは信号値を65536段階(16ビット)に量子化している。

なぜ、情報を0と1の2通りで表す(これを二進数表記といいます)必要があるのでしょう。私たち人間が通常使う十進数表記はどうして用いられないのでしょうか。
主な理由は2つあります。

1つ目は、二進数表記が効率のよい数の表現記法だからです。
突然ですが、みなさんは両手の指だけを使っていくつまで数えられますか?10まで?とんでもない。実は1023まで数えることができます。指を伸ばしている状態を0、折っている状態を1とし、指の1本1本を位(くらい)と考えます。この位のことをビットと呼びます。つまり人間の両手では、10ビットの情報を処理することができるわけです(図2)。
ファイル 4-2.gif

2つ目の理由としては、2つの物理的な状態を作り出すことが容易にできるということです。メモリを例に挙げてみましょう。
コンピュータで情報を処理する際、コンピュータ内のメモリという場所に一時的に情報をキープしておきます。最近では512MB(1MB(1メガバイト)は約8,000,000[bit(ビット)])のメモリが搭載されたコンピュータが出回っていますが、そのメモリにはおよそ5000億個【注!訂正があります】の「0と1を区別するスイッチ」の役割を果たす回路が入っています(図3)。コンピュータにおける0と1のスイッチ回路が、先ほどの例で言うと1本1本の指にあたります。
ファイル 4-3.gif
【訂正】512MBのメモリの数が上では「およそ5000億個」と書いてありますが、これは「およそ43億個」の誤りです。


このメモリの中にある「0と1を区別するスイッチ」は、電圧の高低で状態を区別しています。回路にかかる電圧が0の状態を”0”、電圧がある値(たとえば5ボルト)の状態を”1”としているわけです。厳密に0ボルトや5ボルトということはあり得ませんので、半分の値(しきい値、この場合2.5ボルト)を境として、”0”と”1”を区別しているわけです(図4)。
ファイル 4-4.gif
これがもし十進数だったらどうでしょう。”0”~”9”まで10パターンの電圧状態を考えなくてはなりません。(たとえば熱や電磁波などのノイズ)によって、誤った情報に変わってしまうこともあったでしょう。

”0”と”1”といったコンピュータにとって理解可能な形式は、「たくさんの情報を」「正確に処理」するのに、非常に都合がいいのです。

<参考文献>
今井 秀樹著『情報理論』(昭晃社)

--------------------------
人気blogランキングへ←ここをクリックしていただけるとうれしいです!

ページ移動

  • 前のページ
  • 次のページ