自由研究でピアノを手作りしてみる！まずは模型と実験で理解を深めよう

鍵盤から音が生まれる仕組みを見える化→測定→説明の順で進め、輪ゴムや段ボールなど身近な材料で模型を作ります。安全と再現性を軸に、計画から発表までの流れをひとつの線で結びます。

まず必要な工程を俯瞰し、使える時間と道具に合わせて無理なく設計しましょう。

• 目的と仮説を測れる言葉で定義し準備を整えます
• 材料は代替案まで用意し欠品時も進行を保ちます
• 模型と実験を切り分け比較しやすい構造にします
• 測定値は表とグラフで差を明確に示します
• 発表は写真と図解を先に見積もり逆算します

手作り自由研究のゴールと計画

最初に「どんな問いへ答えるか」を決め、答えに届く工程を逆算します。モデルの完成だけでなく、仕組みが説明できることをゴールに据えると、作業が比較と考察へ自然につながります。ここでは計画表と記録様式を先に整え、途中の判断を迷わない形にします。

目的と仮説を具体化して決める

目的は「鍵盤の動きと弦の条件で音がどう変わるかを説明できるようにする」。仮説は「弦が短いほど音は高い」「響板が大きいほど余韻が伸びる」など、測定項目と単位を伴う形で表現します。比較は一度に一条件だけ変えるのが基本で、他条件は固定して再現性を確保します。

安全管理と作業区画を整える

カッターやホットボンド、硬いワイヤーなどは危険を伴います。必ず大人の見守りをつけ、作業机は養生テープで区画を分けます。保護メガネと手袋を用意し、電源は作業前後に主電源から入切します。切断方向と手の位置を決め、周囲への声かけもルール化します。

材料調達と代替案を先に用意

段ボール板、輪ゴム、竹串、割り箸、紙管、木工用ボンド、養生テープ、クリップ、厚紙、発泡板、ペットボトルキャップ、小型スピーカーやチューナーアプリなどを想定します。欠品時は代替の太さや材で置き換え、番号付けして条件管理できるようにします。

記録様式と撮影ルールを設計

日付、条件、測定値、写真番号、メモの欄を持つ記録用紙を作ります。撮影は同じ距離と角度で行い、定規や目盛を同一位置に写し込みます。録音は同じ端末と音量で行い、ファイル名に条件を含めて整理します。

スケジュールと発表逆算で進める

設計→作例A→作例B→作例C→整理→発表の順に一工程30〜60分で組みます。必要写真と図の点数を先に決め、空欄に素材をはめ込む方式にすると抜けが減ります。予備日を一日用意し、焦りを減らして質の確保を優先します。

1. 目的を測定可能な文で一枚にまとめる
2. 安全ルールと片付け手順を掲示して共有
3. 記録用紙と撮影角度を先に統一して決定
4. 工程を小分けにし無理のない配列にする
5. 必要写真と図版の点数を逆算で見積もる
6. 予備日を設定し作業密度を調整して進行
7. 開始前に試作を行い問題点を洗い出す
8. 仮説の反証条件も事前に書き添えておく
9. 提出前のリハーサルを時間計測で実施

• 刃物は一方向へ動かし手前に引かない
• 電源は主電源で入切しコードを踏まない
• 撮影は同距離同角度で比較性を確保する
• 記録は鉛筆と色ペンで要点を可視化する
• 測定は静かな時間帯を選び外乱を避ける
• 失敗も撮影し原因追及の材料に残す
• データは共有フォルダで散逸を防ぐ
• 作業終了時に工具点検と清掃を行う
• 作業者の役割を固定して精度を上げる

注意：目的や単位が曖昧だと比較不能になります。変える条件は必ず一つだけに絞りましょう。

枠を先につくっただけで、撮影漏れと測定抜けが激減し、発表準備がぐっと楽になりました。

小結：土台が整いました。次は仕組みの全体像をつかみ、作る部分と測る部分を切り分けます。

ピアノの仕組みを簡単模型で理解

鍵盤の入力がアクションに伝わり、ハンマーが弦を打って響板が空気を押す。この流れが分かると、模型で何を再現し何を置き換えるかが見えてきます。ここでは複雑な部品を簡素化し、学びに必要な本質だけを抜き出して見える化します。

鍵盤から音が生まれる流れを掴む

鍵の前を押すと後ろが上がり、てこの原理で動力が増幅されます。実機ではジャックがハンマーを押し上げ、直前に逃げて接触を短く保ちます。模型では小さなレバーとゴムで代替し、押す速さで音の立ち上がりが変わる様子を観察します。

弦と響板と箱の働きを見える化

弦の振動は駒を介して響板へ移り、面で空気を押して音量が増します。厚い板は安定し、薄い板は軽くよく鳴りますが雑味も増えます。段ボールや発泡板を使い、材と厚みが余韻に与える差を録音と主観メモで記録します。

ペダル効果を模型で置き換える

ダンパーは振動を止め、離すと共鳴が増えます。模型では「消音布の有無」「弦の触接の有無」で再現可能です。布を触れさせると余韻が短く、離すと伸びます。中間ペダル風には一部だけ布を離し、和音の持続を観察します。

1. 鍵盤レバーを作り押下で動く範囲を確認
2. 弦の固定を強化し有効長を目盛で管理
3. 響板候補を二種用意し録音で比較する
4. 布の接触を切替え減衰の差を観察する
5. 録音距離と角度を一定にして測定する
6. 写真は同角度で撮影し図解に活用する
7. 主観メモを定型文で揃え比較を助ける
8. 外乱音を止め静かな時間に実施する
9. 危険工具は大人監督下で扱いを限定

• てこ比は支点位置で調整し感触を最適
• 弦は滑り止めで固定し伸びを抑制する
• 響板は歪みを避け均一圧で固定する
• 布の材は種類を変え減衰差を引き出す
• 録音名に条件を含め整理を容易にする
• 温湿度を記録し環境差を管理する
• 矢印と名称を写真に入れ理解を助ける
• 比較図は色数を絞り差に集中させる
• 安全チェックを開始前後で二重に行う

注意：実機の分解は行いません。模型で原理を置換し、観察は公開図解や写真の範囲で行いましょう。

全体像を先に描いたことで、作るべき部分と測るべき部分が分かれ、実験計画が一段と整理できました。

小結：仕組みを掴んだら、まずは一音モデルで音高の法則を数値で確かめます。

作例A 輪ゴム弦の一音ピアノを作る

最小構成で音を出し、長さと張力の違いで音高がどう動くかを測ります。輪ゴムは安全で扱いやすく、支点と目盛を工夫すれば再現性が高まります。弾く力はおもりで一定化し、測定は同アプリで統一します。

ベースと支点を組み立て音を出す

段ボール二重板をベースにし、割り箸で支点を作って輪ゴムを張ります。駒役の爪楊枝をはさみ、響板役の薄板を下に固定。弾く位置と録音距離をテープでマークし、試し鳴らしで振動がしっかり伝わるかを確認します。

長さと張力を変えて音高を測る

支点を三か所に移し有効長を短中長で設定。次に同じ長さで張力を弱中強に切替えます。各条件で三回ずつチューナーアプリの周波数を記録し、平均と最大最小を表にまとめます。外れ値は備考欄に理由を書き添えます。

誤差を抑える固定と計測のコツ

押弦位置のズレ、ゴムの伸び、録音距離の変化が主な誤差要因です。位置に目印を付け、開始前にゴムを数回伸縮させ初期伸びを抜きましょう。マイク距離は台で固定し、周囲の音を止めてから測ります。

1. 支点位置で有効長を切替え基準を作成
2. 同一弦で張力のみ三段階に調整する
3. 太さ違いを番号管理し混同を防止する
4. 各条件三回測定し平均と幅を計算
5. 録音名に条件を含め整理を容易にする
6. 押さえ位置に目印を付け再現性を確保
7. 静かな時間帯で測定し外乱音を排除
8. 温湿度を添えて差の背景を説明する
9. 写真を同角度で撮影し図解に活用する

• おもりで弾く力を一定化し誤差を抑制
• 固定は補強を増やし位置のズレを防ぐ
• 測定アプリと設定は毎回同じに統一
• 平均値と範囲の両方を表に記載する
• 外れ値は理由と状況を備考へ記す
• 目盛と寸法を写真へ写し込み根拠化
• データは表計算で自動計算にする
• 比較グラフは色数を絞り見やすくする
• 結果は仮説と一対一で対応づける

注意：一度に複数条件を変えると原因が特定できません。必ず一条件のみ変更して比較してください。

条件を一つずつ変えたことで、長さと張力の寄与が分かれ、仮説が数値で語れるようになりました。

小結：音高の法則が確認できたら、次は鍵を複数にして音階を作り、操作と戻りの工夫へ進みます。

作例B 8鍵の段ボールピアノに挑戦

一音モデルで得た知見を拡張し、8鍵で簡易な音階を作ります。鍵の戻りや打点位置の安定が課題になるため、てことゴムの配置を工夫します。音階の誤差は目盛と微調整ゴムで詰めます。

鍵構造と戻り機構を簡単に実装

鍵は細長い段ボールに支点を設け、前を押すと後ろが上がる構造。戻りは細い輪ゴムを支点の手前で引き、離すと元の位置へ戻るようにします。打点の高さはスペーサーで調整し、各鍵のストロークを揃えます。

音階チューニングと目盛の作成

各鍵ごとに有効長を微調整し、チューナーで目標周波数に寄せます。支点側に目盛を付け、微調整用のピンで止めると再現性が上がります。ズレが出たら張力の微調整で補正します。

音量と余韻を上げる響板の工夫

響板を一枚から二枚貼り合わせると剛性が上がり、不要な共鳴が減ります。箱の開口を前向きにすると聴こえやすく、上向きは広がり感が出ます。録音と主観メモで評価軸を揃えましょう。

1. 鍵の支点とストロークを統一して設計
2. 戻りゴムの張力を均一に調整して整える
3. 各鍵の有効長を目盛で微調整して合わせる
4. 響板の厚みを選び剛性と余韻を最適化
5. 開口の向きを切替え聴感を比較記録する
6. 録音と写真を同条件で取得し整理する
7. 主観評価は定型文に沿って記入する
8. 外れ値の理由を備考に明記して納得
9. 固定を見直し雑音源を取り除いて再試行

• 鍵先を補強し曲がりを防いで触感を安定
• 支点にはストロー片を使い摩擦を低減
• 戻りゴムは同長同太で差を小さく抑制
• 弦の固定は二点止めでズレを抑えます
• 響板貼り合わせは均一圧で歪みを防止
• 開口縁を補強し鳴きとビビりを抑える
• 録音距離をテンプレで固定し比較性確保
• メモ欄に温湿度を記入し条件差を管理
• 仕上げは角を丸め安全と見栄えを両立

注意：鍵の戻りが遅いと連打で絡みます。ゴムの張力と支点摩擦を同時に見直しましょう。

戻り機構を整えたことで操作感が改善し、音階のズレも目盛化で素早く補正できました。

小結：操作と音階が整ったら、余韻や響きの拡張を試し、聴こえ方の設計に踏み込みます。

作例C ペダル風の共鳴拡張に挑む

ペダルの役割を「減衰の制御」と捉え、布や共鳴箱で余韻をコントロールします。箱の容積や開口の形、設置向きで聴こえ方が変わるため、条件を切り分けて比較します。近隣配慮も合わせてルール化します。

共鳴箱と開口の形で響きを比べる

前向き開口は指向性が高く、上向き開口は広がり感が出やすい傾向です。箱の容積が大きいと低域がふくらみますが、過度に大きいと輪郭がぼやけます。録音距離を一定にし、持続時間と音圧で比較します。

吸音材と設置で音の広がりを調整

箱の内側に薄い吸音材を少量貼ると不要な反射が減り、輪郭が整います。壁からの距離で低域の量感が変わるため、位置を固定して測定します。カーテンや本棚の有無も記録に含めます。

安全運用と近隣配慮のルール化

大音量の連続試験は時間帯に配慮し、事前に家族へ予定を共有します。耳の疲労を防ぐため、測定は短時間で区切り、休憩を挟みます。装置の固定と保護具の着用を徹底します。

1. 箱容積を三段階で用意し余韻を比較する
2. 前向きと上向き開口で音圧を測る
3. 内側へ薄い吸音材を少量貼って試す
4. 壁からの距離を固定し位置差を排除
5. 各条件三回測定し平均化して記載
6. 録音と波形画像を発表用に準備する
7. 主観メモを定型文で統一して比較
8. 外れ値は理由を備考に残し納得感
9. 近隣配慮の時間ルールを掲示する

• 箱の補強は共鳴を阻害しない配置にする
• 開口縁を補強し雑音発生を抑制する
• 吸音材は入れ過ぎず輪郭を保つ
• 録音は一メートル前方で固定する
• 室温湿度を記録し環境差を管理する
• 写真は同条件で撮影し整列表示する
• 音源ファイルは条件名で保存して整理
• 聴取者数と距離を記録し公平性を担保
• 耳休めの時間をルーチン化して安全

注意：大音量試験は回数と時間を制限し、近隣トラブルを避けましょう。測定は短時間で切り上げます。

開口向きを揃えただけで音圧差が明確になり、主観評価と数値の整合が取りやすくなりました。

小結：響きの設計ができたら、結果の見せ方を整え、伝わるレポートへ仕上げましょう。

データ整理と自由研究のまとめ方

測定値は「違いが一目で分かる形」に整えるのが要点です。表は桁を揃え、グラフは凡例と単位を明記。写真は同角度で矢印と名称を入れます。本文は結論→理由→具体の順で短段落にし、失敗も価値へ変換します。

表とグラフで差を一目で示す

長さや張力の比較は折れ線、箱や材の比較は棒グラフが見やすいです。平均と範囲を併記し、色数は三色以内に抑えます。表の単位は見出しに入れ、注釈で条件の固定を明記します。

失敗談を価値に変える考察術

「何が起きたか」「なぜそうなったか」「次にどうするか」をセットで書きます。誤差要因を列挙し、再試行の結果を添えます。仮説の修正点を明確にすると、研究の信頼性が高まります。

ポスター構成と発表の練習手順

タイトル→目的と仮説→方法→結果→考察→結論→発展の順に配置。写真は工程順に並べ、図と表は一点一意にします。発表は時間を計測し、質問三問の想定回答を用意します。

1. 平均と幅を計算し表へ追記して整える
2. 最適な図形式を選び凡例と単位を明記
3. 工程写真を番号順に並べ視線を誘導
4. 本文は結論先行で短段落に構成する
5. 失敗の原因と対策をセットで記述
6. 質疑想定を三問作り回答を準備する
7. 持ち時間でリハーサルを一度実施
8. フォントと色数を絞り読みやすさ重視
9. 提出前に誤字脱字を声出しで確認する

• 数値は桁を揃え読みやすさを高めます
• 図は余白を取り要点に集中させます
• 写真は露出補正で暗部を明るくします
• 矢印と枠で流れを設計して示します
• 注釈で専門語を簡潔に解説します
• 音源QRを貼って検証可能性を高めます
• 出典と協力者を謝辞で明記します
• ポスターは目線高さに配置します
• 予備クリップを携行し崩れを防ぎます

注意：情報を盛り込み過ぎると伝わりません。色数とフォントを絞り、図表は一点一意で配置しましょう。

図表の役割を分けたことで、聞き手が要点に集中でき、質疑も具体的になりました。

小結：最後に全体の学びを言葉にし、次の発展へつながる提案で締めくくります。

まとめ

本研究は、鍵盤の入力から弦と響板へ伝わる流れを模型で可視化し、長さと張力、箱の容積と開口、吸音の有無という三方向で音の変化を測定しました。結果は表とグラフで整理し、写真と図解で理解を助け、失敗の原因も次の工夫へつなげました。

次の一歩は、鍵数の拡張や打点位置の最適化、室内音響の改善など、目的に沿った精度向上です。安全と再現性を土台に、音を設計し説明できる力を育てていきましょう。