ニュートン力学

登録日：2011/04/10 (日) 08:33:12
更新日：2023/08/07 Mon 17:29:32
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「ニュートン力学」とはその名の示す通り、アイザック・ニュートンによって確立された物理体系のことである。
我々が暮らしている日常的なスケールでは、物体の力や運動はこれと電磁気学でほとんど説明できる。
日常的でないスケールでは相対性理論や量子力学の出番だ。

一部には、先人であるガリレオやデカルトが経験則で「大体そうなんじゃないかなあ」と見当をつけていたものもある。

それらを引き継いで完成したのがこれ。

別名「運動の法則」とも呼ばれ、現代物理学の根幹を成す法則になっている。

この法則について、項目内で触れてみたい。

◆ニュートン力学は以下の3つの法則により成り立つ。

第1法則「慣性の法則」

第2法則「運動の法則」

第3法則「作用反作用の法則」

どれも名前を聞いたことはあるだろう。

以下、順に紹介する。

◆慣性の法則とは？

一言で言うと、「外から力が加わらない限り、物体の動く速さと動く方向は変わらない」というもの。

机に置かれた（つまり速さゼロの）状態の本は何もしなければ動かないし、
転がしたボールは一切の力が働かなければ一定の速さで転がり続ける。

ん？と思う人もいるだろう。そう、普通はボールを転がせばどこかで止まってしまう。
でもそれは摩擦力が働いているからであって、本当になにも力が働かないならどこまでも転がるだろう、というのがポイント。

また、これが成立する系を慣性系と呼ぶ。
慣性系でないということは力を受けてもいない物体が加速するということなのだが、身近でわかりやすい例は加速中の電車。
電車の床に置いたボールは発車とともに触れてもいないのに後方に転がって行くだろう。
しかしそれは加速する電車内という特殊な視点で動いて見えるだけであって、電車の外から見るとボールはその場に留まろうとしているわけである。

また電車がカーブを走ればボールは外側へ転がっていくだろうが、これも電車の外から見るとボールは直進しようとしているわけである。

◆運動の法則とは？

第一法則の成り立つ環境内（慣性系）で成立する関係のこと。

式にすると「F = m × a」で表すことができ、ニュートンの運動方程式とも呼ばれる。

これは、

F：物体に加えられる力が、
m：物体の質量と
a：加速度

の数値をかけ算したものに等しいということ。
「質量」が大きい物体ほど加減速させるのに大きな力が要る、と言っているわけである。
これもまた、摩擦や重力が当たり前に存在する日常的な状況だと誤解しやすい。
物体を持ち上げるのが大変になるのは重力との釣り合いの問題だし、床に置かれた物体を動かすのは摩擦力の問題である場合がある。

なお、重さと質量は混同されやすいが、物理においては区別されることがある。
質量は地上でも月でも宇宙でも変化しない量で、主に単位kgで表される。ところでヤード・ポンド法は滅ぼさねばならぬ
物理における「重さ」とは物体に働く重力の大きさのことで、その場所の重力加速度の大きさによって変化し単位は主にN(ニュートン)など。
ただしこれらをうるさく区別するのは実は中学～高校の先生くらいで、物理の研究者が「重さ」と言ったら質量のことである場合も多い。適宜使い分けよう。

更に、運動方程式に出てくる「物体の加速しにくさ」たる慣性質量と
「重力の受けやすさ」である重力質量がなぜ一致しているのかは実は分かっていない。
冷静に考えると全く異なる物理現象が、なぜか同一のパラメータを参照しているのである。

◆作用反作用の法則とは？

「一方が受ける力と他方が受ける力は向きが反対で大きさが等しい」というもの。

押されたら押し返す、1倍返しだ！
壁を押せば押し返される、紐を引けば自分の体が引かれる。
万有引力や静電気力のように離れた物体に働く力でもしっかり反作用は生じる。

「遠心力」や「慣性力」に反作用は生じていないが、これはこれらが「見かけの力」であって真の意味での力ではないため。
先の電車のように視点の方がズレたことで物体が何者かに引っ張られたように見えるだけで、実際には動いてもいなければなにかに引っ張られたわけでもない。

先生の手も痛かったんだという金八先生の言葉に心を打たれた人は冷静に考えよう。
顔面と手のひらを同じ力で叩けば顔の方が痛い。
力は一緒でも感覚の鋭さで違いが出てしまうのだ。

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▷ コメント欄

• 自転車に質量mの彼女を乗せたら速度を保つのにより大きな力が必要←書いたやつは馬鹿なの？坂でもない限りは関係ないだろ。摩擦のことを言っているならちゃんとそう書くべき。 -- 名無しさん (2014-07-24 19:06:26)
• 物理項目建てるなら最低限の基礎は理解してからは建てろ。あと慣性の法則は慣性系における法則ってことも加えるべきだと思う。 -- 名無しさん (2014-07-24 19:09:56)
• あまりに滅茶苦茶だから直したけどちょっと無理があるかも知れない -- 名無しさん (2020-04-11 18:54:54)

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