空気でっぽうの玉は、なぜ飛ぶの？
押し棒をおすと、前玉と後玉のあいだにとじこめた空気がおしちぢめられます。おしちぢめられた空気は、元の大きさにもどろうとして、まわりをおし返します。この力が前玉をとめている力より大きくなったとき、前玉が「ポン」と飛び出します。
このシミュレーターの計算では、内径1.33cm・長さ22cmのつつ（小学校の教材と同じくらい）で、玉のあいだが10cm・前玉のつめ方がふつうのとき、空気を約2.3cmおしちぢめたところ（手ごたえ約430g）で前玉が飛びます。玉のあいだと飛ぶきょりの目安は次のとおりです（30°上に向けて、高さ1mからうった場合）。
| 玉のあいだ | 飛ぶまでにおしこむ長さ | 飛ぶきょり |
|---|---|---|
| 2cm | 約0.5cm | 約2.3m |
| 5cm | 約1.1cm | 約3.9m |
| 10cm | 約2.3cm | 約5.6m |
| 15cm | 約3.4cm | 約6.5m |
玉のあいだが広い（とじこめた空気が多い）ほど、遠くまで飛びます。前玉をきつくつめると、飛び出すまでの手ごたえが大きくなるかわりに、いきおいよく飛びます。じっさいの飛ぶきょりは、玉の重さや形、つつのなめらかさでかなり変わります。
空気と水は、どうちがう？
とじこめた空気は、おすとちぢんで体積が小さくなり、ちぢむほど手ごたえが大きくなります。手をはなすと、押し棒は元の位置近くまでもどります。いっぽう、とじこめた水は、おしてもほとんどちぢみません。空気でっぽうに水を入れると、押し棒はほとんど動かず、前玉はいきおいがつかないまま前にぽとっと落ちます（そのあと水が出てきます）。
おうちの方向けに言うと、温度が同じなら、気体の圧力と体積は反比例します（ボイルの法則）。長さが半分になると圧力は2倍（約2気圧）で、つつの断面積1.39cm²では、大気より余分な圧力が約1.4kg分の力になります。水の圧縮率は1気圧あたり約0.005%しかないので、手でおしたくらいでは体積はほとんど変わりません。前玉が飛ぶときは、ちぢんだ空気が一気にふくらみ（断熱膨張）、その間に空気が玉にした仕事が、玉の運動エネルギーになります。
おうちでの実験のやり方
- 空気でっぽうのキット、またはつつ（内径1.3cmくらいのとうめいな管）と押し棒、玉（スポンジや発泡ポリエチレン）を用意する。
- 前玉をつつの先につめ、後玉を入れて、押し棒でおしこむ。玉のあいだが5cm・10cm・15cmになるように、つつに印をつけておく。
- 人のいない方向にむけて、押し棒をいきおいよくおし、前玉が落ちたところまでのきょりをメジャーではかる。
- 同じ条件で3回ずつうって、平均をシミュレーターの予想とくらべる。
- 前玉を指でふさいで押し棒をおし、手ごたえと、手をはなしたときの押し棒の動きをたしかめる。つつに水を入れて、同じようにくらべる。
玉を人や動物の顔に向けてうたないでください。目に当たるとけがをします。ジャガイモを玉にするときは、うすく切るのはおとながやります。水を使うときは、ふろ場や外で行いましょう。
自由研究のまとめ方のヒント
「玉のあいだ」と「飛んだきょり」を表とグラフにすると、とじこめた空気が多いほど遠くまで飛ぶことがわかります。つつの向き（0°・15°・30°・45°）を変えてくらべるのもおすすめです。空気の抵抗を受けるかるい玉では、45°より少し低い角度でいちばん遠くまで飛ぶことがあります。指でふさいだとき「どれだけおしちぢめられたか」と手ごたえを記録すると、空気と水の性質のちがいをはっきり説明できます。
よくある質問
後玉は、なぜ前に飛び出さないのですか？
後玉は押し棒でおさえられているので、押し棒といっしょに動きます。前玉は押し棒がないので、空気におされると先に飛び出します。前玉が飛ぶと、つつの中の空気が外に出て、圧力が元にもどります。
手をはなすと、押し棒がもどってくるのはなぜですか？
おしちぢめられた空気が、元の体積にもどろうとして押し棒をおし返すからです。前玉を指でふさいだまま押し棒をおして手をはなすと、よくわかります。
玉のあいだが短いと、なぜ飛ばないのですか？
とじこめた空気が少ないと、前玉が少し動いただけで空気がふくらみきってしまい、玉をおし出す力がすぐに弱くなるからです。同じ手ごたえで飛び出しても、空気が多いほど長くおし続けられます。
水でっぽうとのちがいは何ですか？
水でっぽうは、ちぢまない水を、せまい口からいきおいよくおし出すしくみです。空気でっぽうは、ちぢめた空気がもどろうとする力（ばねのような力）を使います。ペットボトルの穴から水が飛ぶしくみは、ペットボトルの穴から出る水シミュレーターで試せます。
ゴムの力で物を動かすこともできますか？
できます。のばしたゴムが元にもどる力も、空気と同じように物を動かします。ゴムで動く車シミュレーターで、ゴムをのばす長さと車の進むきょりを試せます。空気をあたためたときの体積の変わり方は、空気と水の温度と体積シミュレーターでくらべられます。
この実験に使えるもの
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