慣性力

慣性の法則の例としてよく挙げられるものに,「バスが急停止すると,中にいる乗客は前方にバランスを崩す」という現象がありますが,なぜこのような現象が起こるのかしっかり説明できますか?

今回はこの現象を “2つの視点” から解明していきます!

 

 

第1の視点 〜外にいる人から見た場合〜

バスの乗客がバランスを崩す様子をバスの外から見た場合,次のように解釈できます。

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ポイントはもちろん慣性の法則。

この現象は,「運動している物体は,力がはたらかなければ等速直線運動をする」ということの具体例に他なりません。

 

第2の視点 〜バランスを崩した本人から見た場合〜

第1の視点については,物理基礎の慣性の法則の記事でも説明済みなので,今回の主役はこちらの第2の視点のほうです。

「車内でバランスを崩した」という現象を,バランスを崩した張本人はどう解釈すればいいのでしょうか?

 

注意すべきは,第1の視点と同じ解釈は使えないということ。

第1の視点の解釈では,「バランスを崩す前,バスは運動をしている」というのが前提でした。

しかし,中にいる人は「自分は静止していて,動いているのは外の風景のほうだ」と主張できます(相対速度の考え方!)。

「自分ではなく外が動いている」という考え方は,慣れていないと奇妙に映るかもしれませんが,がんばって受け入れてください(^_^;)

 

ともあれ,「自分は止まっているんだ」と考えて,慣性の法則「静止している物体は,力がはたらかなければ静止したまま」を適用すると,ひとつの結論が導かれます。

 

乗客「自分はもともと静止していたのだから,力がはたらかなければ静止し続けるはず。にも関わらずバランスを崩したということは,何か力がはたらいたことになる!」

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うん,名推理。

乗客にはたらいたこの謎の力は慣性力と呼ばれています。

つまり,第2の視点からの解釈は単純に,「前方にバランスを崩した理由は,慣性力で前向きに引っ張られたから」ということになります。

 

 

慣性力の変な性質

この慣性力というのは,ものすごーく変な力です。

まず,何から受ける力なのかはっきりしません。

(普通の力は,重力なら地球から,張力なら糸から,というように何から力を受けているのかはっきりしている!)

何から受ける力なのかはっきりしないということは,反作用も存在しません。

 

さらに付け加えると,何から受ける力かわからないということは,実際に力を受けた本人(バスの中の乗客)以外に,この力の存在を知る術がないということになります。

(普通は,ばねに接しているから弾性力,面に接しているから垂直抗力,というように,何から力を受けるのかに着目することで力を見つけている!)

 

そう,慣性力というのは,誰にでもわかる力ではなく,特定(バスの中)の人だけが感じる「見かけの力」なのです!

実在の力ではなく,見かけの力だと思えば,変な性質にも目をつぶる(?)ことができるでしょう。

 

慣性力の向きと大きさ

慣性力は見かけの力とはいえ,力であることに変わりはないので,向きと大きさについてチェックしましょう。

 

…と,その前に,慣性力について正確に説明しておきましょう。

慣性力とは,「加速度運動している観測者が感じる見かけの力」のことです。

さっきから「バスの中の観測者」とばかり言っていますが,バスの中にいても常に慣性力がはたらいているわけではありません。

慣性力がはたらくのは,乗客がバランスを崩すとき。

つまり,急発車 or 急停止時に限られます。 これって加速度運動しているってことですよね!

もちろん乗り物はバスじゃなくても構いません。

加速度運動さえしていれば,電車や飛行機,エレベーターでも慣性力ははたらきます。

(上昇するエレベーターが止まるときにフワッと感じるのが慣性力!)

 

では本題。

慣性力の向きですが,これはまたバスの中を想像してください。

乗客は,バスが急停止すると前方に,急発車すると後方にバランスを崩します。

これは慣性力の向きが加速度と反対方向であることを示しています!

 

次に慣性力の大きさを求めてみましょう。 以下の図をご覧ください。

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これを,第1の視点と第2の視点からそれぞれ立式してみます。

第1の視点から見たときに慣性力が存在しないこと,第2の視点からは物体が静止して見える(観測者に対する相対速度が0)ことに注意しましょう!

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ここからもう少し話を進めてみると…

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以上より,慣性力の向きは加速度と逆向きで,大きさはmaであることがわかりました!

(教科書では慣性力Fは, F = −ma と表記されていますが,マイナスがついているのは逆向きであることを表しているだけで,大きさ自体はmaです。)

 

結局,観測者が中にいようが外にいようが,それぞれの立場で正しく解釈し,正しく式を立てれば,どちらを採用しても同じ結果が得られることになります。

どちらの立場でもしっかり計算できるように,「現象を見る目」を養っておくことが大切です!

 

今回のまとめノート

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次回予告

次回は円運動に戻り,円運動における慣性力について学んでいきましょう!

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