回転系を静止して見せるロトスコープの製作（１９９４年）

１．はじめに

　物理学では回転系の上で生じる特異な現象を論じる事がよくあります。遠心力、コリオリ力、ジオイドの変形、ハドレー循環からロスビー循環への遷移、etc.....それらの現象は回転系の上に乗ってみてはじめて感知できる。しかし高校の実験で利用できるターンテーブルは小さなものですから、それらの現象を回転系の上から見るのはなかなか難しく工夫のいるところです。

　ここで述べるロトスコープは回転系を静止させて見せてくれる装置です。もともとこれを作って見ようと思ったのは地学の大気大循環のところで出てくる有名な実験(対流現象が、回転系の上ではハドレー循環ではなくロスビー循環になる事を示す実験)をこの目で見てみたいと思ったからです。色々考えている内に、我々でも少し工夫すればできそうだったので暇を見つけて少しづつ改良を重ねて作りました。

２．ロトスコープの原理

　ロトスコープは図１の様なプリズムを利用する。光軸のまわりを対象物の回転数の半分の回転数で回転させながらプリズムを通して対象物を見ると像が静止してみえる。静止して見えるのは図１から解る様にプリズムを通して見ると上下は逆さになるのに左右はそのままだからです。

図１　Ａｂｂｅ型プリズム

　詳細を図２で説明する。　いま観測対象物であるの矢印が０→１→２と回転するときプリズムの上下軸がその半分の回転角で０→ａ→ｂと回転するとする。矢印１をプリズムの上下方向の１ｘとプリズムの左右方向の１ｙに分解する。プリズムを通過すると１ｘ→１ｘ′、１ｙ→１ｙ′となり、合成したものは１′となる。同様に矢印２の像も２ｘ→２ｘ′、２ｙ→２ｙ′となり、合成したものは２′となる。故に矢印対象物が０→１→２と回転してもプリズムを通して見る像はすべて同じ位置０′に静止して見える。

図２　ロトスコープの原理図

　ロトスコープは上記のような特殊なプリズムを用いるが、我々にはなかなか手に入らないし、たとえ手には入ったとしても高価なものだろうから、鏡で代用した。

３．製作過程

○材料

　　水道用エンビパイプ　外径112mm　内径106mm
　　エンビパイプの継手
　　ベニヤ板　９mm厚、１５mm厚
　　Ｏリング(日本バルカー（株）から購入)
　　ギヤドモーター(コピー機の廃物利用、ジャンク屋で購入)
　　小型キャスター　４個
　　プーリー
　　ＤＣ電源装置　15000円
　　ＤＣ電源装置を除いた総費用は約6000円

○構造（拡大図はここをクリック）

○調整

　この安上がりなロトスコープで最も大切なところは光軸の調整です。プリズムと違って鏡の組み合わせでは、どうしても反射面が正確な角度にならない。そのため映し出される像が視野の中でグルグルと動き回ってしまう。だから鏡の面の傾きの調整機構が絶対に必要です。最初はすべての鏡の取り付け板に傾き調整用のビスを設置する方法で作ろうと思ったが、工作が面倒な上に、組立時に鏡の取り付け角を精度良く測定する方法も思いつかないのでやめました。
　実際に採用した方法は、回転筒に鏡の台箱を取り付けた後にスコープを回転させながら試行錯誤で調整しやすい以下のものです。

　像のαβ方向のぶれを図のＡ〜Ｄ、Ａ′〜Ｄ′のビスを用いて台箱を図の方向に回転させることにより調整し、像のγδ方向のぶれを図のＥ〜Ｈのビスで底面の鏡の付いている板の傾きを変化させることにより調整する。

写真１　ロトスコープ全体図

写真２　ロトスコープ後ろから見たところ

写真３　ロスビー循環の実験(左下の回転台を鏡で反射させて観察)

　ビデオ映像をご覧になりたい方は下記リンクをクリックして下さい。
　　　ロトスコープの製作（45.52MB　２分５６秒）
　　　ロスビー循環の実験（93.91MB　６分５秒）
　これはWindows標準のWMV8コーデックのファイルです。もっと解像度の良いAVI形式ファイルもありますがダウンロードに時間がかかるために公開していません。ご入り用ならご連絡下さい。

４．おわりに

　安価に我々でも作れる形にするには鏡を使うしか方法はない。そのとき最も苦労するところは鏡の傾きの調整機構をどうするかです。試行錯誤を繰り返し前記の形に落ち着きました。
　これを利用してロスビー循環の観察実験をさっそく試みたのですが、ロスビー波動が見えたときは本当に感激しました。

参考文献　　木村竜治著　「流れの科学」　東海大学出版会　Ｐ174参照