未来を創ろう！地球を救う科学技術を学ぼう！　国立大学56工学系学部ホームページ

はじめに

　プログラミング教育やロボティクス教育が普及する中、PCレスで直感的に物理学とロボットの動作原理を学べる教育キットである、ゼンマイロボットを製作しましょう。ゼンマイロボットは、安価でありながら「物理法則」や「機構学」の基礎に触れることができる優れた教材です。本記事では、この小さなロボットに隠された3つの重要な物理テーマを解説します。

用意するもの

1. ゼンマイロボット（Amazonなど）
2. つまみ（3Dプリンター製）
3. 頭（3Dプリンター製）
4. ゴール（3Dプリンター製）
5. 直径18mmの磁石（100円ショップ）

※「頭」、「つまみ」、「ゴール」は2D図面をもとに3D CADソフトで作図して3Dプリンターで出力しましょう。3Dプリンターを持っていなくても各種3Dプリントサービスを活用することでこれらの部品を製作できます。

作り方と遊び方

作り方

1. 

   ①のゼンマイに②を取り付けます。

   注意点

   ゼンマイ本体が故障しないように、ゼンマイのつまみ部分を抑えて押し込んでください。

2. 

   ③と④に磁石を取り付けます。④を中の爪が広がるようにつまむと取り付けやすくなります。

   注意点

   ③と④の表側が互いにくっつくように、磁石の向きに注意して取り付けてください。

3. 

   磁石を取り付けた③を①に被せていき「カチッ」と音が鳴るまで取り付けます。

4. 

   完成！

遊び方

1. ゼンマイを時計回りに回します。
2. ゼンマイロボットを地面に置いて静かに手を離すと、ゼンマイロボットが歩き出します。
3. ゼンマイを回す前にゼンマイロボットの頭を回して向きを変えると、頭が向いている方向に曲がって歩きます。
4. ゼンマイロボットの頭の向きとゼンマイを巻く量を調節して、ゴールを目指しましょう！
5. デコレーションして自分だけのゼンマイロボットにしましょう！

調べてみよう

1. ゼンマイが秘める力（弾性エネルギーと運動エネルギー）

　ゼンマイロボットの最大の仕組みは、電池を一切使わず「ゼンマイ（渦巻きばね）」の力だけで自律的に動く点にあります。これは、高校物理で学ぶエネルギー保存の法則を視覚的に体験する絶好のモデルです。

　ゼンマイを巻くという行為は、外部から仕事をしてばねを変形させ、弾性力による位置エネルギー（弾性エネルギー）を内部に蓄える作業です。

　ばね定数をk、変位をxとしたとき、圧縮ばねに蓄えられるエネルギーUは以下の式で表されます。

　手を離すと、蓄えられた弾性エネルギーが解放され、ロボットが前進するための運動エネルギー

や、内部の歯車を回す回転のエネルギーへと変換されていきます。

2. 磁力（力のベクトル）

　ゼンマイロボットには、ロボットの他にも「ゴール」と呼ばれる磁石が内蔵されたオブジェクトがあり、これを使ってロボットの進行方向を制御することができます。

• ゴール（引力）: 異なる極（N極とS極）を近づけると、ロボットを引き寄せる。
• ロボット（斥力）: 同じ極同士を近づけると、ロボットを反発させる。

　これは、目に見えない「磁界」と、距離によって変化する「力のベクトル（大きさと向き）」を学習する材料になります。

【発展】磁極間に働く力（磁気に関するクーロンの法則）

　日常的な「磁石の引力・斥力」をマクロに計算する際、便宜上「磁荷（磁極）」という概念を用いることがあります。N極とS極の間に働く力は、電気におけるクーロンの法則と全く同じ形式の式で近似できます。

　2つの点磁荷m₁、m₂が距離r離れているとき、その間に働く力Fは次のように表されます。

• m₁、m₂: 磁気量または磁極の強さ（Wb：ウェーバ）
• μ₀: 周囲の媒質の透磁率（真空の場合は真空の透磁率）

　m₁とm₂の符号が異なる（N極とS極）場合は引力が働き、同符号（N極同士、S極同士）の場合は斥力が働きます。ただし、物理学的には「単一の磁荷（モノポール）」は存在せず、常にN極とS極が対になった双極子として存在するため、この式はあくまで磁極間の距離が十分に離れている場合の近似的な計算モデルとして利用されます。

3. 機構と摩擦（ロボットの動作原理）

　エネルギーと力が揃っても、それを「前進する力」に変換するメカニズムがなければロボットは動きません。ゼンマイロボットの内部と足元には、力学の応用が詰まっています。

物理要素	ゼンマイロボットでの役割	学習できる主な物理法則
歯車（ギア）	ゼンマイの強い回転力を適切な速度とトルクに変換する。	仕事の原理、力のモーメント
リンク機構	回転運動を「歩行」という周期的な直線・往復運動に変換する。	自由度（Degree of Freedom）、運動の軌跡
摩擦力	接地面との間に働き、空回りを防いで推進力を生み出す。	静止摩擦力、動摩擦力、作用・反作用の法則

　ロボットアームなどの設計においても重要になる自由度（Degree of Freedom）やリンク機構の初歩を、この小さなゼンマイロボットの中から観察することができます。また、「摩擦がなければロボットはその場で空回りしてしまう」という事実から、摩擦力が推進力の源（作用・反作用）であることを体感できます。

おわりに

　ゼンマイロボットは、力学、電磁気学、そして機構学の入り口となる総合教材です。さらに深い探究活動として、「巻き上げ時の入力エネルギーと、実際の走行による出力エネルギーを比較し、摩擦や音で失われたエネルギー変換効率を計算する」といった課題を設定することで、実際のロボティクス研究（センシングや機械設計）に通じる高度な視点を養うことができるでしょう。

福島大学
共生システム理工学類

• 数理・情報科学コース
• 経営システムコース
• 物理・システム工学コース
• 物質科学コース
• エネルギーコース
• 生物環境コース
• 地球環境コース
• 社会計画コース
• 心理・生理コース

学校記事一覧

おもしろ科学実験室（工学のふしぎな世界）
バックナンバー