原理

1.運動量保存則

いくつかの物体が互いに力を及ぼし合って運動するとき、外から力が働かなければ、運動量の総和は常に一定に保たれるという法則である。本実験では、空気の運動量変化に伴う仕事率 \(P_1\) とかざぐるまから発生する電力 \(P_2\) が保存されると考える。 \[ P_1 = P_2 \tag{1} \] という関係性である。

2.空気の運動エネルギーの時間変化

空気の運動は速度\(v\)、空気の密度\(\rho \)、風車を横切る単位時間当たりの空気の体積\(\dot{V} \)としたとき、 \[ P_1 = \{( \rho \times \dot{V}) \times v \} \times v \tag{2} \] で求められる。また、体積は単位時間あたりの面積としても考えられる。
本実験では、1秒間でかざぐるまを簡略化した面積に空気が流れる体積として考える。

3.電力

電力は、電流\(I\)、電圧\(V\)としたとき、 \[ P_2=I \times V \tag{3} \] で求められる。

4.モータの仕組み

モータ内部のコイルが回転することで磁界が変化する。そして、アンペール・マクスウェルの法則である \( \nabla \times \boldsymbol{B} = \mu_{0} (\boldsymbol{J} + \varepsilon_{0} \frac{\partial E}{\partial t} ) \) より、電流が発生する。
また、この現象を電磁誘導と呼ぶ。この働きによってモータが発電する。