実験で楽しくなる力学教室

1-11. 慣性の法則

	運動の３法則の中の『第一法則』は慣性の法則だよ。

	慣性は質量に比例して変化する"動き出しにくい"という性質のことだったね。

	はい。

	この『慣性』があるので、力を受けない限り、止まっている物体はずっと止まり続ける。もちろん受けている力が全てつりあっている時、つまり『合力が0』のときもそれと同じだよ。

	つりあっているから動けないんですよね。

	この性質があるからだるま落しとかテーブルクロス引きができるんだね。

	質量が大きければ大きいほど動きにくいからね。

	慣性があるから、あの人はお正月番組でテーブルクロス引きができるんだね。

	ああ。テーブルクロスじゃなくて、こんなことだってできるよ。

	わぁーっ、すごいすごい。

	綺麗に入るものなんですね。

	まぁ、ちょっとしたコツがあって、それさえマスターすれば、君たちも出来るよ。

	さて、では動いているものはどうだろう？

一定の速度で走っている電車の中で真上に跳ねたらどうなる？

(1)床のとび跳ねた場所より後ろに着地

(2)床のとび跳ねた場所に着地

(3)床のとび跳ねた地点より前に着地

	(1)かなぁ？

	いや、これは(2)です。

	さて、ところで問題の答えだが……。その前に注意、絶対に電車の中で実験しないようにね！みんなの迷惑だよ。代わりに建物の中で実験してみよう！

	以前、実験していた小学生を見た事があります。

	じゃあ一弥君は、答えを知っている訳か……。

	（コクン）

	??

	まあ、とりあえず次の映像を見てほしい。台車を同じ速さで直進させておく。そのとき、乗っている人がボールから手を離すと、どうなるだろうか？

	よく見てみると、ボールは台車と同じ速さで前進しながら落ちていってるよね？ということは台車からボールを見ている人にとっては、真下に落ちたということだね。答えは(2)だ。

なぜこうなるんだろう？　手から離れたのに前進が止まらないのは一見不思議だよね。
落ちてゆくボールが受けている力は主に重力だけだ。
……ということは、『前進を止めようとする力が働いていない』ということなんだ。
よく考えてみると、はじめからボールも台車と同じ速度で動いているわけだから、ボールだけ勝手に、急に止まるはずないんだ。

	そっかぁ、電車に乗っている時点で、自分も速度を持っている（動いている）わけだから、跳んだときも、自分は電車と同じく前のほうに動くんですね。

	そういうこと。

	それでは、台車が加速している場合はどうなるだろう。

	加速していても、乗っている自分も加速しているから、さっきと結果は同じではないでしょうか？

	えぇと。……わからないから、わたしは一弥くんとおんなじで。

ほんとにそうかな？
台車から離れた時点で、物体はもう進行方向に押されていないよね。
だからボールは、進行方向には『台車から離れた瞬間の速度』を保ったままになってしまうんだ。
つまり、その時点よりも加速している台車には取り残される。
これもボールが落ちている時かかっている力は重力だけだよね。

	あれれ？　でもさっきの"一定の速さ"で台車が動いていたときも、台車から離れた時点で物体は進んでる方向に押されていないから、あれも後ろに取り残されちゃうんじゃないのかなぁ？

もう一度整理し直してみよう。
ボールは手から離れた時点で、止めようとする力が外から働かないから、進行方向には、離れた瞬間の一定速度のまま進む。
その後は、台車が一定の速度だったらボールも同じ速度だから、台車に乗っている人にとっては真下に落ちるし、
台車がそれよりも加速していけば、ボールは加速していないから取り残される。

	そっかぁ、台車の移動速度も一定の速さなんだね。

	……と、これらのことをふまえて、結局のところ、動いているものは力を受けないと、どういった運動をすると言えるかな？例えば、オリンピックなどで、カーリングの様子を見たことがあるかい？

	この前オリンピックありましたよね？　わたし見ました。

	そうかい？　だったらイメージしやすいね。あのストーンが「ッ―――……」と滑っていくように、物体は力を受けないと、加速もせず曲がりもせずに、同じ速さでまっすぐに進むんだ。

等速直線運動

	この運動のしかたを『等速直線運動』という。これは後で詳しくやるよ。気になる人は用語集を見てね。

	それでは、ここで一つ質問。今君たちはパソコンの前に座っている、とイメージしてほしい。そのとき、今君たちの目の前にあるパソコンは止まっているかな？ ……止まっているはずだ、君から見るとね。それじゃ、君とパソコンは動いていないのかな？

	"自分から見た"ということだけを考えると止まっていますが、範囲を広げて見方を変えると話は違ってきます。例えばそうですね……地球は自転しているから、動いていると考えられるのではないでしょうか。

うん、実はそういうことなんだ。
地球の自転軸に対しては、みんな一日一周西から東へ……計算してみると日本にいる人は1200km/h、
シンガポールにいる人は、1700km/hくらいの速さでぐるぐる回っていることになる。
赤道付近は一周の長さが長いからね。
その自転軸は、一年に太陽の周りを一周、10万7000km/hくらいの速さでまわってる。
太陽だって銀河系のなかで……というわけで、実際動いているものばかりなんだよね。

	そういったことから『「等速直線運動で動いている」のと「静止している」というのは同じこと』だと言えるんだ。

	『地球上に完全に静止しているものは存在しない』ってことなんですね。

	うーん、むしろ『静止』と『等速直線運動』は特に分けることができないってことなんだよなぁ。

	じゃあ先生、そもそも『静止』って表現は間違っているの？

	いや、物体にとっては『静止』と『等速直線運動』は分けることができないけれど、物体を見ている人（観測者）と物体との関係の中では静止は静止、ということになる。

	要は、それを見ている人の違いという訳ですね……。

	ともかく、それらから言えることは、止まっているものが"動き出しにくい"というのは、等速直線運動しているものが"加速しにくい"、"進行方向が曲がりにくい"ということと同じだということ。これが慣性の本当の正体だったんだよ。

	地球上で止まっているものも、地球が自転しているから、実は『等速直線運動』をしていることになるんですね。

	正確には『等速円運動』だけれど、地球は大きいから、"１秒あたり"とかだと、だいたい直線と変わらないと言えるかな。

運動の第一法則『慣性の法則』

・物体が力を受けないか、受けている力がつりあっているとき、静止している物体は静止し続け、運動している物体は等速直線運動し続ける。

・逆に静止もしくは等速直線運動をしている物体は、力を受けていないか、受けている力がつりあっている

・物体は質量に比例して、静止している物体は静止し続けようと、運動している物体は等速直線運動をし続けようとする性質があり、これを『慣性』という。

	さて、では次の法則行ってみようか。