ネズミ捕り車

長距離競技用に設計されたネズミ捕り車

ネズミ捕り車の動きのイラスト

ネズミ捕り車は、ネズミ捕りを唯一の動力源とする小型車両です。動力を高めるために、複数のネズミ捕りや非常に大きなネズミ捕りを使用するものもあります。

マウストラップカーは、物理学や技術教育などの他の物理科学の授業で、生徒が問題解決能力を養い、空間認識力を発達させ、時間配分を学び、協力的な行動を練習するのに役立つため、よく使用されます。

デザイン

ネズミ捕り車の一般的なスタイルは様々である。^{[ 1 ] [ 2 ]}多くの業者が設計図、キット、完成車を販売している。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}ネズミ捕り車に加えて、ネズミ捕りボートのコンテストも開催されている。^{[ 7 ]}ネズミ捕り飛行機のコンテストも開催されている。^{[ 8 ]}

バネ力

ネズミ捕りは螺旋状のねじりバネによって駆動されます。ねじりバネはフックの法則の角度形に従います。

${\displaystyle \tau =-\kappa \theta \,}$

ここで、 はバネが及ぼすトルク（ニュートンメートル単位）、 は平衡位置からのねじれ角（ラジアン単位）です。はニュートンメートル/ラジアン単位の定数で、バネのねじれ係数、ねじり弾性率、あるいは単にバネ定数とも呼ばれ、バネを1ラジアンの角度でねじるのに必要なトルクに等しくなります。これは線形バネのバネ定数に類似しています。 ${\displaystyle \tau \,}$ ${\displaystyle \theta \,}$ ${\displaystyle \kappa \,}$

ねじりバネに蓄えられるジュール単位のエネルギーUは、次のとおりです。

${\displaystyle U={\frac {1}{2}}\kappa \theta ^{2}}$

ネズミ捕りを組み立てる際、バネは最初に平衡位置を超えてねじられるため、ネズミ捕りが閉じられるとバーに大きなトルクがかかります。

車軸への動力伝達

この動きを利用して車の車軸または車輪を回転させます。最も一般的な方法は、ネズミ捕りのアームに紐を取り付け、それを車軸に巻き付けることです。バーを放すと紐が引っ張られ、車軸（と車輪）が回転します。

しかし、ネズミ捕りのバーに直接紐を結び付けると、バネに蓄えられたエネルギーを有効活用できません。ネズミ捕りのバーが開いた状態と閉じた状態の間の距離は通常10cmなので、この長さの紐が引っ張られることになります。直径の小さい車軸に巻き付けたとしても、この長さの紐では車を最大限まで動かすのに十分な回転数を生み出すことはできません。

この問題を回避するために、ほとんどのネズミ捕り車ではバーにレバーが追加され、レバーがはるかに長い紐を引っ張り、車軸がより多くの回転をするようにしています。

車輪の摩擦

マウストラップバーにレバーを追加するもう一つの理由は、車輪にかかるトルクを減らすためです。車輪に過大なトルクがかかると、車輪と地面の間の摩擦係数によって、車輪と地面の間の力が最大摩擦力を超えてしまいます。そうなると、車輪がスリップし、バネに蓄えられたエネルギーが無駄になってしまいます。マウストラップバーに長いレバーを取り付けることで、バネのトルクによる紐の張力を軽減し、ひもにかかるトルクを減らすことができます。

車輪に加わるトルクを減らすことに加えて、より高い摩擦材料を使用することで摩擦係数を改善できる場合があります。

長距離車

このタイプの車を作ることは、バネの力をレバーアームに最大限に伝え、駆動車軸を回転させることを中心に行われます。車の走行距離を最大限に伸ばすには、レバーアームを長くする必要があります。これにより、レバーアームが長くなり、弦も長くなるため、車輪の回転力を大きくすることができます。次に、駆動輪を大きくします。車輪の直径が大きいほど、より広い範囲をカバーできるためです。これに加えて、車軸を車輪よりも小さくして、牽引距離を長くします。摩擦が大きいほど、車を推進する際に失われるエネルギーが増えるため、摩擦をできるだけ減らします。質量も考慮する必要があります。車の重量が重いほど、マウストラップスプリングからのエネルギーがより多く使用されるため、車を軽くすることが最善です。

スピードカー

スピードネズミ捕り車を作るには、ネズミ捕りのバネから短い距離で最大限のエネルギーを引き出す必要があります。レバーのアームは長距離車のものより短くする必要があります。アームが短いほどバネが早く切れ、バネからより多くのトルクを引き出せるからです。車体の重量のほとんどは、駆動車軸がある後部に分散されます。このように作ると、車体の前部で抵抗が少なくなり、速度が低下しません。車輪はそれほど大きくする必要はありませんが、車輪に対して車軸は大きくする必要があります。車輪には十分なトラクションが必要です。適切な量の摩擦がないと、駆動車軸に接続された車輪が滑り、追加されたトルクのせいで車を前に押し出せなくなるからです。

参考文献

1. Wired.com日曜午後プロジェクト：ネズミ捕り車を作る デイブ・バンクス著
2. Instructables.com、マウストラップカー
3. Docfizzix.com、マウスで動く乗り物
4. Escience.ca、Efson Science マウストラップカーキット
5. Kelvin.com Archived 2007-11-16 at the Wayback Machine、Kelvin company Mousetrap Car Kit
6. Kidder.ca、Kidder社のカタログページ
7. Lakeviewjhs.net Archived 2008-07-20 at the Wayback Machine、Mousetrap Boat Contest
8. AB.ca、2001–2002 パークランド科学オリンピック、 2008年1月22日アーカイブ、 Wayback Machine

外部リンク

• ネズミ捕り車ネズミ捕りで動く車のデモンストレーション