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和尚、理系について説く

間違って理系に入ってしまった僕が語る、理系についての知識、考えなどなど。間違っている可能性があるのでお気を付けを。見つけた方はご一報をください。

運動の法則:普通っぽいけど、意外と重要

4.運動の法則との関連

単位にもなったニュートンさんは、運動の法則というものを見つけました。法則は3つあるのですが、これはニュートン運動方程式と大きく関連しているので、紹介と説明をしていきます。

 

第一法則(慣性の法則

『物体が慣性系にあるとき、その物体は外部から力を加えられない限り、静止した物質は静止し続け、運動しているときは等速直線運動を続ける

以上が運動の法則の第一法則(慣性の法則とも言う)を表したものです。

固い文章かつ、分かりづらい言葉があるので、噛み砕いていきたいと思います。

 

まず慣性系とは?

本当に噛み砕いていえば、その物体が存在する空間の速度が一定であるということです。

厳密には違うのでしょうが、自分はそういう認識でした。

 

例えば、Aさんが時速100kmの車に乗っているとします。Aさんがお手玉をしているとき、ブレーキが掛かって80kmに減速しました。その時、お手玉はどうなるでしょうか?

もし手の中に玉があればボールはそのまま収まっているでしょうが、空中に玉があるならばボールは自分から見て前方に落ちることになるでしょう。

これをAさんの視点から見ると、ボールには何の力も働いていないのに、前に進んで落ちたということになります。

しかし車の外でBさんがこの状況を見ていると、ボールは何の問題もなく、ただ放物線を描いて落ちただけに写るでしょう。

つまりAさんの視点では、外部から何の力(F)も果たらなかったのにボールが動いてしまったので、慣性系ではない(非慣性系)と言えるのです。

視点が違うだけで、異なる結果が生まれてしまったのです。

 

これは実はとんでもないことなのです。

もし地球の自転速度が頻繁に変わるのなら、真上に投げたものがずれて落ちてしまうということなのです。

車の速度の変化はすぐ気付くことができるでしょうが、地球の速度はそう簡単ではないでしょう。

幸いにして地球は(近似的に)慣性系なので助かりましたが。

 

以上の事から、視点と対象となる物体が同じ移動速度の空間にあるという条件を示しているのです。

これはそのまま後半の静止した物質は静止し続け、運動しているときは等速直線運動を続けるに繋がります。

眼の前にリンゴが置かれているとします。それは動いていないと認識していますが、もっと遠くから、この場合地球の外から見てみるとその物体は自転方向に自転速度1700kmで移動しているのです。更に加えるなら公転方向に公転速度も、です。

ですが地球上に居る僕たちはそれを認識することはありません。誰も自転や公転の影響を実感していないでしょう。

それと同じように、慣性系という条件を加えることで、物理的には本来記述しなければならない自転や公転の影響を省くことができるのです。視点もまた同じ自転や公転の影響を受けているためです。もし慣性系という条件を抜くと、静止した物体はこの地球上に存在しないことになりますから。

 

つまり第一法則を言い直すと、『視点と対象となる物体が同じ移動速度の空間にある場合、その物体は外部から力を加えられない限り静止した物質は静止し続け、運動しているときは等速直線運動を続ける』となります。

 

最悪『自転などの速度が変わらない地球は慣性系、でも乗り物に乗ると非慣性系になるかも』ということさえ抑えとけば、この第一法則は利用することができます。

 

第二法則(運動の法則)

『物体に力が働くとき、物体には力と同じ向きの加速度(a)が生まれ、その加速度は力(F)の大きさに比例し、物体の質量(m)に反比例する』

これは第二法則と呼ばれ、そのままニュートン運動方程式となります。

前回のニュートン運動方程式の回でやりました。

osyousama.hatenadiary.com

法則がそのまま式になるとは驚きですね。

 

第三法則(作用・反作用の法則)

『二つの物体の間に力が働くとき、その両方に力は働き、大きさは等しく、方向は同直線状に反対である』

これが第三法則であり、作用・反作用の法則と呼ばれています。

要は物体を押した時に感じる、押し返される力は押したときの力と等しいということを説明したのです。

この法則が働かないと、ジャンプはできませんし、ボールをキックできません。ホームランを打つなんて夢のまた夢なんです。

 

まとめ

  • 地球上は慣性系。乗り物に乗ると非慣性系になる場合あり。
  • 物体に力を加えると、加えた物質にも同じ大きさの力が働く。

今回は以上です。

ありがとうございました。