食べられるクレヨンを作ろう - 青色のクレヨンを作る- 石塚彩世岩田涼佑大庭潤小林優大原誠人山中希未斗神奈川県立厚木高等学校 2 年 I 組 1 班 Abstract We did our investigation to develop eatable and blue crayons to reduce the harm when children eat them. According to previous study, there are eatable crayons made from natural material. We thought that we could create eatable and blue crayon by using the natural blue material. First, we found the appropriate proportion of oil to candle but we could not create eatable and blue one. It s because the dye we used couldn t be mixed with oil and candle. 1 背景 目的子供がクレヨンなど身近なものを誤って食べてしまう事故が後を絶たない 私たちは子供が安心して遊べるように 食べても安全なクレヨンを作ろうと考えた 先行研究によると 青色以外の天然の色素では 食べても安全なクレヨンが商品化されていることが分かった そこで 私たちはまだ作られていない青色の食べられるクレヨンを開発することにした 2. 仮説ブルーベリーや紫キャベツなど 天然の青色の色素を含む身近な物から抽出した色素で食べても安全な青色のクレヨンンを作ることができる 3. 方法実験 1 通常のクレヨンの作製食べられるクレヨンを作る前に通常のクレヨンの作製における最適な油とロウの割合や冷やし方を検討した 染料として適量のスダンⅢと双子葉類の葉を用いた また サラダ油 ロウソクは分量を変えて最適な割合を求めた さらに 完成品の硬さを上げるために試作品によっては片栗粉も加えた まず 耐熱皿でロウソクを加熱して融かし 液体にして芯を取り除く その間にビーカーに油と染料を加えて ロウソクが完全に融けるのを待つ その後 融けて液体になったロウをビーカーに加えて そのビーカーを冷やす ( 図 1) 最後にある程度冷え固まった試作品を取り出し 空気中に放置してさらに固まるのを待った ( 図 2) 冷やす方法は常温でゆっくり冷やす方法と 氷水で急速に冷やす方法を試した ( 表 1) 表 1 サラダ油とロウソクの割合及び冷やし方や片栗粉の量試作品番号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 蝋そく ( 本 ) 3 2 2 2 3 3 3 3 3 サラダ油 (ml) 10 4 2 1.5 1.5 1.5 1.0 1.5 1.5 染料 ( 適量 ) 葉スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ スダンⅢ 冷やし方氷水氷水氷水氷水常温常温氷水常温氷水片栗粉 (g) 0 0 0 0 0 0.3 0 0 0 図 1 氷水で冷却している様子 図 2 試作品を取り出したところ
実験 2 食べられる青色のクレヨンの作製実際に青くて食べられるクレヨンを作ることを目指して 染料を変えて実験を行った 食べても安全な材料でクレヨンを作成するためにロウソクを米ぬか蝋に サラダ油は米油に換えた また 染料は適当なものを探すため ドライブルーベリー 青色の食紅 紫キャベツを用いて実験を行った また 紫キャベツの色素は塩基性において青色を呈する性質を利用するため炭酸水素ナトリウム水溶液を用いた ドライブルーベリーの色素を抽出するため ドライブルーベリーを乳鉢と乳棒ですりつぶし 粉末状にした 青色の食紅は実験 1 と同様に米ぬか蝋を加熱して融かし そこに米油と青色の食紅を加えた 紫キャベツの場合は 純水にいれてゆでて 紫色の色素を抽出した 次に その液体に炭酸水素ナトリウム水溶液を少しずつ加えて青色にした ( 図 3) その後 米ぬか蝋を耐熱皿で加熱して融かし 青色にした紫キャベツの色素 油の順で加えた ( 図 4) 図 3 紫キャベツからとった液体 を青色にした様子 図 4 融けた蝋に青色の紫キャベツの液 油を加えころ 4. 結果実験 1 通常のクレヨンの作製表 2 各試作品の完成度試作品試作品完成度完成度番号番号 1 崩れやすく色が出ず 感触は油っぽい 6 硬くてもろい 2 固まらなかった 7 力を入れるとすぐ崩れた 3 崩れやすく描きづらい 8 軟らかく描きづらい 4 色がうすく もろい 程よい硬さで 全ての試作品の中 9 5 1 から 5 の中では最も描きやすい で最も描きやすい 染料の量は試作品の完成度にあまり影響を及ぼさずロウソク 3 本の中の融けたロウの質量は 3.9 g だった 実験 2 食べられる青色のクレヨンの作製ドライブルーベリーを用いた実験ではドライブルーベリーが粉末状にならず 先の手順に進めなかった 食紅を用いた実験では融けた米ぬか蝋に米油と食紅を加えたところ 食紅と米油 米ぬか蝋が混じり合わなかった 紫キャベツを用いた実験でも融けた米ぬか蝋 米油 紫キャベツからとった液体が混ざらなかった 5. 考察実験 1 にて描きやすいクレヨンの作成の最適な油とロウソクの割合は 油が 1.5 ml 蝋は 3.9 g であった また 氷水で急速に冷やしたほうがよいということを明らかにした しかし 油やロウと混じる安全な青色の染料を見つけることができなかったため青色の食べられるクレヨンは作れなかった 6. 今後の展望ロウに染色液を混ぜるのではなく ロウで染色液を抽出することを検討する
防音壁に適した素材の探求 -Sound Proofing Wall- 上原珠莉大石かなえ桐原百合香竹田美穂中本理絵神奈川県立厚木高等学校 2 年 I 組 2 班 Abstract In this project, we searched soundproofing, cost and ease of processing for the best material to make the soundproofing wall. So, we did two experiments and acquired some data about rubber sheet, cork sheet and acrylic board. Concretely, we examined soundproofing, flexibility, weight, density, price, ease of processing and surface condition. Especially, flexibility and density is involved in soundproofing. As the result of these experiments, we came to conclusion that cork sheet is the best material. 1. 背景 目的防音はプライバシーを保護する上で重要な役割を果たす しかし 仮設住宅や集合住宅では十分な防音を得ることが難しいというのが現状である そこで 今研究では防音性が高く 安価で扱いやすい防音壁を作ることを目的に それに適した素材を発見するための実験を行った 本研究における防音性とは 素材を通して音を聞いた際に 吸音と遮音によってどれだけ音量が小さくなるかを表すものとする 先行研究より 吸音性が高い物質は柔軟性が高く 遮音性が高い物質は密度が高いことがわかっている また 吸音性は表面積が大きくなると高くなることもわかっている 2. 仮説 同じ厚さであれば 柔軟性と密度の高さを兼ね備えた物質がより防音性に優れている 3. 方法 3.1 準備実験器具として レーザー照射機 重りとして用いる消しゴム アルミホイル ホワイトボード 録音と音量の計測用のスマートフォン 音源として用いるクロマチックチューナー 10 10 10(cm 3 ) のアクリルボックス ( 以下 箱とする ) マーカーとして用いる養生テープ 比較用の素材を用意した 比較用の素材であるゴムシート アクリル板 コルクシートは全て 2 mm に統一した 3.2 操作今研究で使用する素材の質量と体積を計測し 密度を算出した また 実体顕微鏡で各素材の表面を観察した さらに 比較材料として 同面積を購入した場合の各素材の値段と 素材を切断した際の扱いやすさについてまとめた その後 柔軟性と防音性を比較する実験を行った 柔軟性を比較する実験は 図 1 のように 素材にレーザー光線を当て 反射光をホワイトボードへ照射し 重りを置く前後の照射位置の差を計測した 具体的な方法としては まず 土台にのせた素材にレーザー光を斜め上方から照射し 反射してホワイトボードに投影させた位置を確認した 次に素材の中央部に重りをのせて湾曲させ 同様にレーザー光を照射し 照射位置の差を計測し表 1 にまとめた その際 コルクシートとゴムシートは光を反射しなかったため アルミホイルを被せた 防音性を比較する実験は 音を鳴らした状態のクロマチックチューナー ( 以下 音源とする ) へ箱を被せ スマートフォンを用いて音量を計測した また 比較用に音源のみの場合も計測した 箱は図 2 のようにゴムシートを内側に貼り付けたもの コルクシートを貼り付けたもの アクリ
ル板を内側に貼り付けたものを用意した 計測にはアプリケーション 騒音測定器 を用い 箱からスマー トフォンまでの距離を 13 cm 離して各 4 回録音した 今回は楽器のチューニングに用いられることの多い 442 Hz の音を 10 秒間録音し その平均値をデータとして検証した 重りを置く前 重りを置いた後 照射位置の差 照射機 素材 ホワイトボード 図 1 柔軟性を比較する実験装置について 図 2 左からゴムシート コルクシート アクリル板を貼り付けた箱 素材 箱 スマートフォン 音源 13cm 図 3 防音性を比較する実験装置について
4. 結果結果を表 1 表 2 に示す 密度はアクリル板 ゴムシート コルクシートの順に高く 防音性はアクリル板 コルクシート ゴムシートの順に高かったことから 防音性と密度には関係性が認められなかった また 柔軟性は高い順にコルクシート ゴムシート アクリル板であり 防音性と柔軟性にも関係性は認められなかった ゴムシートは密度と柔軟性のどちらにおいても二番目で遮音性と吸音性の両方で優れていると予想していたが 防音性は一番低かった 今研究の目的である 防音壁に適した素材はアクリル板の防音性との差が非常に少なく 軽くて扱いやすいコルクシートであるという結論に至った 表 1 ゴムシート コルクシート アクリル板 重さ [g] 28.4 4.7 21.4 密度 [g/cm 3 ] 1.54 0.25 4.28 柔軟性 [cm] 3.3 7.2 1.1 値段 [ /cm 3 ] 1.56 2.29 2.56 扱いやすさ 比較的に簡単に切ることができサイズ調整がしやすい 柔らかく切りやすいが 崩れやすいため隙間ができやすい 表面の状態 少しざらつきがある 小さなものが重なり合い 隙間がある 切るために専用の器具を使う必要がある ( 今回はカッターを使用し 三時間以上かけて完成させた ) 凹凸が全くなく無色透明であるため 下の台の表面しか見えない 表 2 実験結果音源のみ ゴムシート コルクシート アクリル板 1 回目 67 64 61 59 2 回目 61 64 59 62 3 回目 68 65 65 60 4 回目 67 66 66 65 平均 66 65 63 62 結果は第一小数点を四捨五入した 単位は db とする
5. 考察アクリル板の防音性が高かったのは 密度が高く 遮音性に優れていたためと考えられる コルクシートがゴムシートより防音性が高くなったのはコルクシートの特殊な構造による表面積の増加と 柔軟性による高い吸音性がゴムシートの防音性を上回ったためと考えられる アクリル板がコルクシートよりも防音性に優れていたのはコルクシートの柔軟性がアクリル板の約 7 倍であるのに対し アクリル板の密度がコルクシートの約 17 倍と高かったためであると考えられる 6. 参考文献音が伝わる仕組みと防音材 http://www.inforent.co.jp/fan_contents_07.htm アプリケーション 騒音測定器 https://play.google.com/store/apps/details?id=kr.sira.sound
気体による音の変化 - 固有振動数と分子量の関係 - 今屋天海早淵稜弥對馬拓実土屋諒悟猪俣晴紀神奈川県立厚木高等学校 2 年 I 組 3 班 Abstract When we breathe helium gas, our voice will become so high. We want to demonstrate the phenomenon and to know what happens with other gasses. We make an experiment which is a model of a vocal tract with 5 kinds of gasses. The result shows that as the molecular weight of gasses decreases, the frequency increases. 1 背景 目的ヘリウムガスを吸うと声が高くなる 私たちはこの現象がなぜ起こるのかに興味を持った この現象を考えるのにあたり まずはヘリウムガスを吸った際に何が変化するのかを考えた 今回は簡単のためにすべての気体を理想気体として扱う ヘリウムガスを吸っても喉や肺の中の圧力 温度 体積は変化しないと考えられる 理想気体の状態方程式 pv=nrt より 圧力 温度 体積が変化しないのならば 物質量も変化しないことがわかる よって変化するのは気体の分子量のみである つまりは気体の密度だけが変化する 次に人の発音方法について調べた 声帯で作られた音が声道と呼ばれる喉や口 鼻といった空洞を通ることで声が作られる そもそも声帯で作られる音には様々な周波数の音が含まれている しかし 音が声道を通るときに 声道内にできる定常波の共鳴を利用して特定の周波数の音だけが増幅 整音される これによって 言葉などといった複雑な音の発音が可能となる 共鳴とは音の周波数が物体の固有振動数と一致した際に音が増幅され大きくなる現象である そこで共鳴について考えた 気体が共鳴するときにできる定常波の周波数は弦の場合と同様に 音の三要素の公式 v=fλ より 音速と波長に大きく影響される 波長 λ は温度等と同様にヘリウムガスを吸ったとしても変化しないと考えられる また先行研究より音速 v は v= (k/ρ) という式にしたがうことがわかっている ここでkは流体の体積弾性係数であり ρ は密度である 体積弾性係数 k は高校の学習内容には含まれていないので今回は扱わず 各気体で一定のものとする 密度 ρ は前述のように気体の分子量にのみ影響される 以上のことから 分子量の違いが共鳴を利用した発音のシステムに影響を与えていると考えられる ヘリウム ( 分子量 4.0 以下気体名後のかっこ内の値は分子量を表す) は空気 (28.8) に比べて 7 分の 1 程度の分子量しか持たない この分子量の大きな違いによってヘリウムガスを吸うと声が非常に高くなると考えられる ここで私たちは逆に分子量が空気に比べて大きな気体 例えば酸素 (32) や二酸化炭素 (44) では声が低くなると考え 次の仮説を導いた 2 仮説音の周波数 ( 固有振動数 ) は媒質気体の分子量が小さくなるほど大きくなる これは次式で表される f=k (1/M) ただし K=1/λ (krt 10 3 /p) (f: 周波数 M: 分子量 k: 体積弾性係数 R: 気体定数 T: 気体の温度 p: 気体の圧力 )
3. 方法ヘリウムとは異なり 酸素や二酸化炭素を直接吸入するのは非常に危険である そこで私たちは人の発音方法をモデルにし 音の共鳴に着目することのできる実験を考案した 今回の実験の目的は 水素 (2.0) ヘリウム 空気 酸素 二酸化炭素について 各気体の固有振動数を測定し 分子量との関係を調べることである 図 1 に実験装置の写真と模式図を示す 模式図より イヤホンが人の声帯 気柱が声道に相当する イヤホン マイク 気柱 図 1 実験器具の写真 ( 左 ) と模式図 ( 右 ) まず 管を水で満たし水上置換で各気体を気柱の長さが 20 cm になるまで集める 水上置換により各気体の圧力を一定にすることが可能となり 仮説の式と同様に気体の分子量にのみ注目することができる 次に スマートフォンアプリ Frequency Sound Generator を用いてイヤホンから発音し 0 Hz から周波数を上げていき最初に共鳴する周波数 ( 固有振動数 ) を測定する 音の大きさの増減から容易に共鳴が起きたかを判断することができる また はじめに定常波ができるのは基本振動なので その周波数が固有振動数と言える この際 気体内で集音を行うことで周囲の環境の影響を少なくすることができる なお 実験の条件は気温 20 気圧 1020 hpa とした 4. 結果 表 1 測定値気体 水素 ヘリウム 空気 酸素 二酸化炭素 分子量 (g/mol) 2.0 4.0 28.8 32 44 周波数 (Hz) 3248 1650 820 773 680
周波数 (Hz) 3500 3000 2500 2000 1500 測定値 - 理論値 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 分子量 (g/mol) 図 2 測定値と理論値のグラフ 水素とヘリウムは共鳴が 10~20 Hz に渡って起きたため 音の大きさが増減した値の平均値を測定値と した 図 2 で 理論値は最も理論の分子量に近いと考えられる実験 2 での空気の実験値を基準とした 曲線は最近似曲線 ( 累乗近似 ) である 5. 考察仮説通り 分子量が小さくなるほど周波数 ( 固有振動数 ) は大きくなることが示された 図 2 が示すように 測定値が理論曲線とほぼ一致した 水素とヘリウムの測定値が理論曲線から外れたのは 測定に時間がかかったのと空気よりも軽いために管内から一部が逃げてしまったためと考えられる また 水素とヘリウムの周波数に幅があった原因は そこでの周波数が比較的大きいために 1 Hz の全体に対しての割合が小さくなったこと 音の増減を調べるのが人に依っていたことがあげられる 6. 今後の展望今回の実験では空気も含め 5 種類の気体についてのものだった 今後 気体の種類を増やした実験を行い さらに詳細なデータを得たい 今回の実験では 各気体同士での圧力の違いを無くせるという利点のある水上置換法で気体の捕集を行った ただ この方法だと水に溶けにくい気体しか扱えないという欠点がある 今後 気体の種類を増やすためには この利点はそのままに この欠点を補える新たな方法を考案する必要がある 例えば 置換に利用する液体を水ではなくベンゼンなどの有機溶媒に換えることでそれが可能になる しかし この方法では不揮発性の有機溶媒が置換に用いることができる程大量に必要である 今回は実験の都合上 気柱の長さを 20 cm とした しかしそのために 分子量の小さな水素とヘリウムの固有振動数が非常に大きくなってしまい 共鳴が 10~20 Hz に渡って起きるという問題が生じた 今後の実験では今回のデータを踏まえ 気柱の長さを適切なものにすることでこの問題を解消したい 例えば 気柱の長さを倍の 40 cm にするだけでも水素の固有振動数は半分の 1600 Hz 程になり 測定が容易になると考えられる
また 共鳴が起きたかどうかを知るのは音の増減から容易とはいえ 結局は人の判断に依ってしまってい た これにも PC のソフトなどを活用して データ上で行えるようにしたい これも前述の問題の解決につ ながると考えられる 7. 参考文献 石綿良三 図解雑学流体力学 田中正隆 株式会社ナツメ社 2007 年 声が作られる仕組み http://www.f.waseda.jp/hon/kotoba/vocal_tract.ppt