スマホでできる3つの科学実験

皆さんはポケットにコンピューターを入れていることをご存知でしょう。しかし、スマートフォンは単なるコンピューターではありません。データ収集装置でもあります。加速度、磁場、音、位置情報などを測定できるのではないでしょうか。多くのスマートフォンは圧力も測定できます。そして、中には電話をかけられるものもあります。

これだけのセンサーが使えるので、スマートフォンでできる楽しい実験を3つご紹介します。おそらくほとんどのスマートフォンで使えるでしょうし、データ収集には様々なアプリが使えるはずです。今回の例では、phyphox (http://phyphoxorg) を使います。データ収集アプリは数多くありますが、最近見た中ではこれが一番です。しかも無料で、iOSとAndroidの両方で動作します。ぜひ試してみてください。

バウンドボール

小さなボールを用意しましょう。実は、大きさはそれほど重要ではありません。この実験でボールに必要なのは、バウンドすることと、テーブル（あるいは何かの表面に当たった時）に音を立てることの2つだけです。これで全てです。さあ、phyphox（発音はfi-fox）アプリを起動し、「(非)弾性衝突」という実験ファイルを開きます。マイクが音を拾えるように、ボールが当たる場所の近くにスマートフォンを置きます。録音を開始し、ボールを落とします。

アプリはボールが地面に当たった回数をすべて記録します。これはかなり便利ですね。また、バウンド間の時間を使ってバウンドの高さを計算します（この計算は、地球の表面で垂直加速度が9.8 m/s ²であることを前提としていると思います）。

楽しみのために、私の研究室のテーブル上で跳ねる小さな金属ボールの跳ね返りの高さと跳ね返り回数の関係を示すグラフを以下に示します。

しかし今では、データの収集が非常に簡単になりました。様々なボールについて、最初の落下距離とバウンドの高さの関係を調べることができます。バウンドするたびに何が変わるのでしょうか？高さやエネルギーは同じまま失われるのでしょうか？もし興味があれば、以前私が調べた結果をご覧ください（詳細はこちら）。

音速の測定

音速を測定する独自の実験方法を考えるのは楽しいものですが、ここでは2台のスマートフォンを使った、かなりうまく機能する方法をご紹介します。音響ストップウォッチとして機能するもの（phyphoxが販売しています）を用意する必要があります。音響ストップウォッチは通常のタイマーと全く同じです。唯一の違いは、大きな音（例えば拍手など）に基づいて計測を開始・停止することです。

この実験の仕組みを説明します。2台の携帯電話を一定の距離に置きます。私は12フィートの巻尺を使って距離を設定しました（遠いほど良いですが、両方の携帯電話で同じ音が聞こえる必要があります）。この2台の携帯電話をそれぞれ携帯電話Aと携帯電話Bと呼びましょう。次に、誰かが携帯電話Aの隣で拍手して、両方のタイマーをスタートさせます。もちろん、携帯電話Bは少し離れているため、タイマーの開始は少し遅れます。少し時間が経つと（それほど重要ではありません）、誰かが携帯電話Bの隣で拍手して両方の携帯電話を停止させますが、まず携帯電話Bを停止させます。

仕組みはこうです。先ほども述べたように、電話Bは少し遅れて音を鳴らし始めます。拍手が電話Bに近づくと、基本的に時間通りに止まります。しかし、電話Aは音が移動する距離の関係で遅れて音を鳴らします。2台の電話はそれぞれ異なる時間間隔を記録します。この時間間隔の差が、音がAからBへ、そしてBからAへ戻るのにかかる時間です。

さて、計算してみましょう。音速は、2台の携帯電話間の測定距離（往復の音）の2倍を、時間差で割った値になります。

さて、私のデータです。距離12フィート（3.66メートル）で、2.047秒と2.029秒の2つの時間間隔で測定すると、音速は約407 m/sになります。これは間違っていますが、ほんの少しの誤差です。音速の一般的な値は約343 m/sです（気温などによって異なります）。でも、この値で十分です。これは簡単な設定でしたから。この値を試してみて、もっと良い結果が得られるかどうか試してみるといいと思います。屋外で、もっと遠く（そしてもっと大きな音）で試してみたらどうでしょうか？試してみるのも面白いかもしれません。

建物の高さの決定

前の2つの携帯電話実験ではマイクが使われていましたね。従来のアナログ電話にもマイクは付いています。では、気圧を測る気圧計はどうでしょうか？はい、今では多くのスマートフォンにこのセンサーが搭載されています。おそらくGPSの位置情報の精度向上のためでしょう。GPSは高度の精度が低いので、気圧計は気圧の変化に基づいて少しだけ正確な情報を提供します。

しかし、この気圧の変化はエレベーターで上昇（または下降）する際にも利用できます。以前、良いエレベーターで試したことがありますが、今回は安っぽい2階建てのエレベーターでも試してみることにしました。phyphoxアプリを使うと、気圧の変化を記録し、それに基づいて時間の関数として高度を計算します。また、加速度計のデータも記録し、時間の関数として速度を計算します（エレベーターが静止状態から始動すると仮定）。

これが、ひどいエレベーター走行からのデータです。

建物の高さがわかるだけでもすごいですが、宿題としていかがでしょうか？位置と時間のデータを使ってエレベーターの速度を計算し、加速度データから得た速度と比較してみましょう。気圧計は気圧をすぐには読み取れないので、同じ結果は出ないかもしれませんが、それでも楽しいですよ。

他にも実験はありますか？もちろんです！でも、とりあえず始めるにはこれで十分です。

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