科目
機構学
章
リンク機構
図番
06 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 6 / 12

なぞるだけで、3倍の絵が描けるパンタグラフ(平行四辺形で拡大する)

支点から針までと、支点からペンまでの長さの比が 1 : 3 なら、ペンは3倍の長さの、そっくりな形を描く(面積は9倍)。平行四辺形の向かい合う辺はいつも平行のままで、ペン先で出せる力は手の力の3分の1になる。

机の上の拡大用のパンタグラフ。針で小さな星をなぞると、ペンが同じ形で3倍の大きさの星を描く

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 小さな絵を、そっくり大きく写したい
  2. 公式はこれ
  3. 平行四辺形は、動いても平行のまま
  4. 支点と針とペンは一直線に並ぶ
  5. 公式を、かたまりに分けて読む
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. ペン先の力は小さくなる:てんびん
  8. 電車の屋根のパンタグラフ
  9. 拡大用のパンタグラフに戻る
  10. 動かしてみよう
  11. よくある勘違い
  12. この公式が使える条件
  13. 例題

この単元のポイント

  1. 支点から針までと、支点からペンまでの長さの比が 1 : 3 なら、ペンの線は3倍の長さで、形はそっくり(相似)。面積は 3 × 3 = 9倍。
  2. 平行四辺形に組んだ棒は、どう動かしても、向かい合う辺がいつも平行のまま。デスクライトの腕も、この形。
  3. ペン先は針の3倍動くので、ペン先で出せる力は手の力の 3分の1(摩擦なし)。入れた仕事=出た仕事の「てんびん」。

小さな絵を、そっくり大きく写したい

はがきの隅にある小さな絵を、画用紙いっぱいに大きく写したいとします。手で見ながら描くと、形が少しずつずれます。

そこで使うのが、拡大用のパンタグラフです。細長い棒4本をピンでつないだ道具で、1か所を机にとめて支点にします。小さな絵の線を針でなぞると、離れた所のペンが、同じ形の大きな絵を描きます。

この単元のパンタグラフは、次の寸法です。

  • 支点 O から、長い棒の端 C まで:240 mm(長い棒 OC)
  • C から、ペン E まで:240 mm(長い棒 CE)
  • 長い棒 OC の途中のピン A は、支点 O から 80 mm の所
  • 短い棒 AT と TB が、針 T で出会う

ピン A を支点から 80 mm の所に付けると、支点から針までと、支点からペンまでの長さの比は 1 : 3 になります。ペンの絵は、どうなるでしょうか。

予想してから読む支点から針まで:支点からペンまで = 1 : 3 のパンタグラフで、直径 40 mm の円をなぞります。ペンが描く形は?

公式はこれ

m=OCOA=OEOT,sE=m sT\spgM = \dfrac{OC}{OA} = \dfrac{OE}{OT}, \qquad \spgLE = \spgM\,\spgLT
記号 意味 この単元のパンタグラフでは
m\spgM 倍率(ペンの絵が、元の絵の何倍か) 3
OAOA 支点から、短い棒のピン A まで 80 mm
OCOC 支点から、長い棒の端 C まで 240 mm
sT\spgLT 針がなぞる線の長さ(直径 40 mm の円) 126 mm
sE\spgLE ペンが描く線の長さ 377 mm

倍率は、ピン A の位置だけで決まります。240/80=3240 / 80 = 3 で、ペンは直径 120 mm の円を描きます。

形がゆがまない理由は、棒の組み方にあります。

平行四辺形は、動いても平行のまま

向かい合う辺の長さが等しい四角形

4本の棒 A–C、C–B、B–T、T–A は、四角形をつくっています。長さは、AC と TB が 160 mm、CB と AT が 80 mm です。向かい合う辺の長さが等しい四角形は、平行四辺形です。

棒の長さは変わらないので、どう動かしても、向かい合う辺の長さは等しいままです。だから、この四角形は、いつも平行四辺形です。AT と CB はいつも平行で、AC と TB もいつも平行です。

四角形は、機構の自由度 で見たとおり、1つの角度ぶん動けます。傾いて細長くなっても、平行四辺形であることは変わりません。

デスクライトの腕

腕を自由に動かせるデスクライトには、平行な2本の棒で腕を組んだものがあります。腕は平行四辺形になっているので、上げても下げても、先の棒の向きは根もとの棒と平行のままです。電灯の笠の向きが変わらず、机の同じ所を照らせます。

支点と針とペンは一直線に並ぶ

平行四辺形から、針 T とペン E の関係を導きます。

1. 2つの三角形を見る。支点 O、ピン A、針 T の小さな三角形 OAT と、支点 O、端 C、ペン E の大きな三角形 OCE を比べます。

2. 辺の比が同じ。OA は 80 mm、OC は 240 mm で、比は 1 : 3 です。AT は 80 mm、CE は 240 mm で、比は同じ 1 : 3 です。

3. 間の角が同じ。AT は CB と平行で、CB は棒 CE の一部です。だから AT と CE は平行です。直線 OC に平行な2本の線が交わる角なので、A の角と C の角は等しくなります(同位角)。

4. だから、そっくりな三角形。2組の辺の比と、その間の角が等しいので、三角形 OAT と OCE は相似です。大きいほうは、小さいほうを支点 O から3倍に伸ばした形です。

OEOT=OCOA=CEAT=24080=3\dfrac{OE}{OT} = \dfrac{OC}{OA} = \dfrac{CE}{AT} = \dfrac{240}{80} = 3

相似な2つの三角形は、O の角を共有しています。だから、T は直線 OE の上にあります。支点・針・ペンは、いつも一直線に並び、OE はいつも OT の3倍です。

針が絵の上のどこにあっても、ペンは「支点から見て同じ向きに、3倍遠い所」にいます。絵のすべての点が、支点から3倍に引き伸ばされるので、ペンの絵は元の絵とそっくり(相似)で、向きも同じです。

公式を、かたまりに分けて読む

sE=OCOA⏟ピンの位置で決まる倍率×sT⏟なぞった線\spgLE = \underbrace{\dfrac{OC}{OA}}_{\text{ピンの位置で決まる倍率}} \times \underbrace{\spgLT}_{\text{なぞった線}}
  1. ピンの位置で決まる倍率 OC/OAOC/OA 長い棒の長さは変えず、ピン A(と、向かいのピン B)を付け替えると、倍率が変わります。道具の棒には、付け替える穴が並んでいます。
  2. なぞった線 sT\spgLT 直線でも曲線でも、どの部分も同じ倍率で伸びます。

長さが3倍なら、たても横も3倍なので、面積は 3 × 3 = 9倍です。直径 40 mm の円(面積 1,257 mm²)は、直径 120 mm の円(面積 11,310 mm²)になります。

どの数字がいちばん効く?

この単元のパンタグラフ(OA 80 mm、直径 40 mm の円)から、それぞれを1割(10%)変えてみます。

変えるもの 倍率 m\spgM ペンの線の長さ ペンの絵の面積
ピンの位置 OA を10%短く(72 mm) +11.1%(3.33) +11.1% +23.5%
ピンの位置 OA を10%長く(88 mm) −9.1%(2.73) −9.1% −17.4%
なぞる円を10%大きく(直径 44 mm) 0% +10% +21%

面積は倍率の2乗で効くので、長さの変化の約2倍の割合で変わります。ピンの位置は OC ÷ OA の分母なので、短くしたときのほうが大きく効きます。

ペン先の力は小さくなる:てんびん

前の単元の トグル機構(小さな力で大きな力) では、「入れた仕事=出た仕事(摩擦なし)。少ししか動かない側には、大きな力が出る」というてんびんの考えを使いました。パンタグラフは、その逆向きです。

針を 10 mm 動かすと、ペン先は 30 mm 動きます。手が針を 3 N の力で押して動かすとき、摩擦がなければ、仕事は等しくなります。

3 N×10 mm⏟手が入れた仕事=1 N×30 mm⏟ペン先の仕事=30 N⋅mm\underbrace{3\ \mathrm{N} \times 10\ \mathrm{mm}}_{\text{手が入れた仕事}} = \underbrace{1\ \mathrm{N} \times 30\ \mathrm{mm}}_{\text{ペン先の仕事}} = 30\ \mathrm{N \cdot mm}

ペン先で出せる力は、手の力の 3分の1 です。大きく動かせる代わりに、力は小さくなります。言いかえると、ペン先が紙をこする抵抗に勝つには、手はその3倍の力で針を押す必要があります。

電車の屋根のパンタグラフ

電車の屋根の上にも、パンタグラフと呼ばれる装置があります。ひし形に組んだ腕の形は、拡大用の道具に似ています。

役目は違います。電車のパンタグラフは、上を通る電線(架線)に、上の端の板を下から押し当てて、電気を取り入れます。架線の高さが変わっても、腕が伸び縮みして、板を架線に触れさせ続けます。絵を大きくするための倍率は、ここでは関係ありません。

拡大用のパンタグラフに戻る

最初の問いの答えは、直径 120 mm の、ゆがみのない円でした。ピン A を支点から 80 mm の所に付けると、支点・針・ペンが一直線に並び、ペンはいつも針の3倍遠くにいます。絵のどの点も3倍に引き伸ばされるので、形はそっくりのまま大きくなります。

自由度でいうと、パンタグラフは、節が5つ(机・長い棒2本・短い棒2本)、対偶が5つ(O・A・C・B・T)で、3×(5−1)−2×5=23 \times (5 - 1) - 2 \times 5 = 2 です。針を机の上のどこへでも動かせるのは、自由度が 2 だからです。

つまり、ものを作るときは

形を保ったまま大きさだけ変えたいときは、平行四辺形と、支点・入口・出口を一直線に並べる組み方を使います。倍率は、ピンの位置の比で決まります。

向きを保ったまま動かしたいときも、平行四辺形を使います。デスクライトの笠や、物を水平のまま持ち上げる腕が、その例です。

大きく動かすほど、出せる力は小さくなります。力が要る先には、倍率を小さくします。

動かしてみよう

針 T(朱の点)が小さな図形をなぞると、ペン E(青の点)が拡大した図形を描きます。ピン A の位置 a\spgA を小さくすると、倍率が上がり、ペンの絵が大きくなります。棒の平行の印(> と ≫)を付けた辺は、どの瞬間も平行です。

図形のボタンで「家」を選ぶと、拡大しても上下・左右が入れかわらないことが分かります。下の波形は、支点からペンまでの距離(実線)と、支点から針までの距離(破線)です。どの瞬間も、実線は破線の倍率倍です。

「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の波形が薄く重なります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. OA は 80 mm(倍率 3)のまま、図形を「家」にする。ペンの描く家の屋根の向きと、左右を見る(まだ)
  2. OA を 60 mm にする(倍率 4)。棒の印(> と ≫)の辺が、動いている間も平行かを見る(まだ)
  3. OA を 120 mm にのばす(倍率 2)。答えの欄の、ペン先で出せる力を見る(まだ)
mm
形なぞる図形
mm
OACBTE針 Tがなぞると、ペン Eが ×3 で描くOA : OC = OT : OE = 80 : 240倍率×3OA80 mmOC240 mm図形円
t = 0.00 s
024680100200300400時間 t [s]支点からの距離 [mm]針 OTペン OE
倍率は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

sE=m sT\htmlClass{q-displacement}{s_E} = \htmlClass{q-displacement}{m}\,\htmlClass{q-displacement}{s_T}=3×125.66 mm= 3 \times 125.66\ \mathrm{mm}=377 mm= 377\ \mathrm{mm}
倍率
m=3 \htmlClass{q-displacement}{m} = 3\
針がなぞる線の長さ
sT=126 mm\htmlClass{q-displacement}{s_T} = 126\ \mathrm{mm}
ペンが描く線の長さ
sE=377 mm\htmlClass{q-displacement}{s_E} = 377\ \mathrm{mm}
面積の比(ペン ÷ 針)
AE/AT=9 \htmlClass{q-geometry}{A_E/A_T} = 9\
ペン先で出せる力の比(手の力に対して)
PE/PT=0.333 \htmlClass{q-force}{P_E/P_T} = 0.333\
途中の計算(導出)を見る
  1. 倍率(支点から長い棒の端までと、支点から短い棒のピンまでの比)

    m=OCOA=OEOT=24080=3\htmlClass{q-displacement}{m} = \dfrac{OC}{OA} = \dfrac{OE}{OT} = \dfrac{240}{80} = 3
  2. ペンが描く線の長さ(針がなぞる円のまわりの長さの m 倍)

    sE=m sT=3×125.66 mm=377 mm\htmlClass{q-displacement}{s_E} = \htmlClass{q-displacement}{m}\,\htmlClass{q-displacement}{s_T} = 3 \times 125.66\ \mathrm{mm} = 377\ \mathrm{mm}
  3. 面積の比(たても横も m 倍)

    AE/AT=m2=32=9\htmlClass{q-geometry}{A_E/A_T} = \htmlClass{q-displacement}{m}^2 = 3^2 = 9
  4. ペン先で出せる力の比(てんびん:手が針を動かす仕事=ペン先の仕事、摩擦なし)

    PE/PT=1m=13=0.333\htmlClass{q-force}{P_E/P_T} = \dfrac{1}{\htmlClass{q-displacement}{m}} = \dfrac{1}{3} = 0.333

よくある勘違い

「長さが3倍なら、面積も3倍」

たても横も3倍になるので、面積は 3 × 3 = 9倍です。

量 倍率 3 のとき
線の長さ・円の直径 3倍
面積 3倍 9倍(3 の2乗)

「針とペンを入れかえても、同じだけ拡大される」

ペンを T に、針を E に付けかえると、大きな絵を 3分の1 に縮めて写せます。OT と OE の比は同じ 1 : 3 ですが、なぞる側と描く側が逆になるからです。

「電車のパンタグラフも、何かを拡大している」

形が似ていて名前も同じですが、役目は、架線に板を押し当て続けることです。絵を拡大する倍率は、関係ありません。

この公式が使える条件

  • 支点 O・針 T・ペン E が一直線に並ぶように、ピンを付ける(OA:OC=AT:CEOA : OC = AT : CE)。この比がずれると、形がゆがむ
  • 棒は曲がらず、ピンにがたがない
  • 支点は机にしっかりとまっている
  • 力の話(てんびん)は、摩擦と棒の重さを考えないとき
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

座標で書く:支点 O を原点とし、点の位置を矢印(ベクトル)で表します。倍率を m=OC/OA\spgM = OC/OA とします。

ピン A は棒 OC の上にあり、C⃗=m A⃗\vec{C} = \spgM\,\vec{A} です。

平行四辺形 A–C–B–T では、B⃗−C⃗=T⃗−A⃗\vec{B} - \vec{C} = \vec{T} - \vec{A}(向かい合う辺が、同じ向き・同じ長さ)。

ペン E は、C から B の向きに、CE の長さだけ進んだ点です。CE=m×CBCE = \spgM \times CB になるようにピン B を付けるので、

E⃗=C⃗+m (B⃗−C⃗)=m A⃗+m (T⃗−A⃗)=m T⃗\vec{E} = \vec{C} + \spgM\,(\vec{B} - \vec{C}) = \spgM\,\vec{A} + \spgM\,(\vec{T} - \vec{A}) = \spgM\,\vec{T}

A⃗\vec{A} が消えて、E⃗=m T⃗\vec{E} = \spgM\,\vec{T} が残ります。棒がどう傾いていても、ペンの位置は針の位置の m\spgM 倍(支点から見て同じ向き)です。

線の長さ:針が少しだけ ΔT⃗\Delta\vec{T} 動くと、ペンは ΔE⃗=m ΔT⃗\Delta\vec{E} = \spgM\,\Delta\vec{T} 動きます。小さな動きを全部足すと、sE=m sT\spgLE = \spgM\,\spgLT です。

力:手が針を力 PTP_T で動きの向きに押し、ペン先が力 PEP_E を出すとき、摩擦がなければ仕事が等しいので、PT ΔT=PE ΔE=PE m ΔTP_T\,\Delta T = P_E\,\Delta E = P_E\,\spgM\,\Delta T。よって PE/PT=1/mP_E / P_T = 1/\spgM です。

例題

例題1 小さなマークを4倍に写す

長い棒が 240 mm のパンタグラフで、ピン A を支点から 60 mm の所に付けました。針で、直径 30 mm の円のマークをなぞります。

(1) 倍率はいくらですか。(2) ペンが描く円の直径と、まわりの長さはいくらですか。(3) ペンの円の面積は、元の円の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

倍率は、支点から長い棒の端までの長さを、支点からピン A までの長さで割ります。

ヒント 2 / 2

m=240/60m = 240/60 です。直径もまわりの長さも、同じ mm 倍になります。

答えと解き方を見る
(1) m=24060=4(1)\ m = \dfrac{240}{60} = 4
(2) 直径 120 mm,sE=377 mm(2)\ \text{直径}\ 120\ \mathrm{mm},\quad s_E = 377\ \mathrm{mm}
(3) 16 倍(3)\ 16\ \text{倍}
  1. 倍率(支点から長い棒の端までと、支点から短い棒のピンまでの比)

    m=OCOA=OEOT=24060=4\htmlClass{q-displacement}{m} = \dfrac{OC}{OA} = \dfrac{OE}{OT} = \dfrac{240}{60} = 4
  2. ペンが描く線の長さ(針がなぞる円のまわりの長さの m 倍)

    sE=m sT=4×94.248 mm=377 mm\htmlClass{q-displacement}{s_E} = \htmlClass{q-displacement}{m}\,\htmlClass{q-displacement}{s_T} = 4 \times 94.248\ \mathrm{mm} = 377\ \mathrm{mm}
  3. 面積の比(たても横も m 倍)

    AE/AT=m2=42=16\htmlClass{q-geometry}{A_E/A_T} = \htmlClass{q-displacement}{m}^2 = 4^2 = 16
  4. ペン先で出せる力の比(てんびん:手が針を動かす仕事=ペン先の仕事、摩擦なし)

    PE/PT=1m=14=0.25\htmlClass{q-force}{P_E/P_T} = \dfrac{1}{\htmlClass{q-displacement}{m}} = \dfrac{1}{4} = 0.25

元の円のまわりは π × 30 ≒ 94.2 mm。ペンの線はその4倍です。

面積は、たても横も4倍なので 4 × 4 = 16倍です。

例題2 地図の線を小さく写す

同じパンタグラフで、ピン A を支点から 96 mm の所に付けました。今度は、ペンと針を入れかえます。外側の E に針を付けて大きな地図をなぞり、内側の T に付けたペンで小さく写します。

(1) OT と OE の比はいくらですか。(2) 地図の上の長さ 250 mm の道を針でなぞると、ペンが描く線は何 mm ですか。

ヒント 1 / 2

OT : OE = OA : OC です。

ヒント 2 / 2

外側(E)でなぞった長さを、倍率 240/96240/96 で割ります。

答えと解き方を見る
(1) OT:OE=96:240=1:2.5(1)\ OT : OE = 96 : 240 = 1 : 2.5
(2) 2502.5=100 mm(2)\ \dfrac{250}{2.5} = 100\ \mathrm{mm}
  1. 倍率(支点から長い棒の端までと、支点から短い棒のピンまでの比)

    m=OCOA=OEOT=24096=2.5\htmlClass{q-displacement}{m} = \dfrac{OC}{OA} = \dfrac{OE}{OT} = \dfrac{240}{96} = 2.5

O・T・E が一直線で OE = 2.5 × OT なのは、針とペンを入れかえても同じです。なぞる側が外側になるので、描く線は 1/2.5 に縮みます。

例題3 手の力と、ペン先の力

ピン A を支点から 80 mm の所に付けたパンタグラフで、手が針を 2 N の力で、動く向きに押して 15 mm 動かしました。摩擦と棒の重さは考えません。

(1) ペン先は何 mm 動きますか。(2) ペン先で出せる力は何 N ですか。(3) 手が入れた仕事と、ペン先の仕事を比べなさい。

ヒント 1 / 2

倍率 m=240/80m = 240/80 を先に出します。ペン先の動きは針の mm 倍です。

ヒント 2 / 2

仕事が等しいので、ペン先の力 × 45 mm = 2 N × 15 mm です。

答えと解き方を見る
(1) 45 mm(1)\ 45\ \mathrm{mm}
(2) 0.667 N(2)\ 0.667\ \mathrm{N}
(3) 2×15=0.667×45=30 N⋅mm (等しい)(3)\ 2 \times 15 = 0.667 \times 45 = 30\ \mathrm{N\cdot mm}\ \text{(等しい)}
  1. ペン先で出せる力の比(てんびん:手が針を動かす仕事=ペン先の仕事、摩擦なし)

    PE/PT=1m=13=0.333\htmlClass{q-force}{P_E/P_T} = \dfrac{1}{\htmlClass{q-displacement}{m}} = \dfrac{1}{3} = 0.333

ペン先は針の3倍動くので、入れた仕事=出た仕事から、力は 3分の1 になります(てんびん)。