以前からの疑問を氷解してください。暇なときで結構です。

質問

以前からの疑問×４です。
どなたかわかりやすく教えてください。

(1)
慣性の法則についての疑問です。
昔、車に乗っていたとき、時速１０ｋｍくらいで
徐行中、窓から虫が入ってきました。
その後加速したのですが、一度も止まらずに飛び続けていた虫は
後ろの窓にぶつかることなく車の中を飛び続けました。
車とともに加速した私たちは慣性の法則で、たとえジャンプしても
後ろには行かないのは理解できますが、空中を飛び続けていた
虫はいつ車の加速を得たのでしょう？
とても不思議です。

(2)
光の速さより速いスピードはないと教わりましたが、
例えば、引力のない宇宙空間でものすごく長い棒があると
しますよね。
で、その根元を少し動かしたとして、その棒の先っぽは
計算では光が１秒で進む距離を越す距離を移動するくらい
長い棒だった場合、棒の先っぽのスピードは光の速さを
超えてるのではないんですか？

(3)
鳥かごの中に鳥がいるとします。
鳥が止まっているときの重量は
鳥かご＋鳥ですよね。
鳥が羽ばたいて飛んでる状態の時は重量は
鳥かごだけだと思うんですけど、鳥が飛んでいても
鳥かご＋鳥だと教えられました。
これってあってるんですか？？
だとしたら鳥かごの天井が空いていて
鳥が垂直にものすごく高く飛んだ場合、
ずっと重量はかかるのですか？？

(4)
時速３５０ｋｍで走る新幹線に乗った横浜のクルーンが
進行方向逆向きに向かって時速１６０ｋｍの球を投げた場合、
線路脇で見ている人には１９０ｋｍで進行方向に進む
剛速球に見えるんですか？
ピンときません。

回答No.4

ojisan7 · ベストアンサー

簡単に答えさせて下さい。
（１）虫が車の中に入ったとき、車の中の空気は車と同じ速さで動いていますので、虫は車の中の空気によって流されます。・・・つまり、車の中の空気と同じように車と同じ速さで動いているということです。

（２）光の速さ以上で信号を伝達することは不可能です。したがって、どんな堅い棒をつかっても、瞬時に信号を棒の先まで伝えることは不可能です。棒は湾曲し、その湾曲
が伝わる速さは光速度以下です。

（３）重量は、鳥かご＋鳥になりますが、この場合の鳥の重量は、鳥が羽ばたくことによって生み出される、下向きの空気を押す力です。この空気の圧力が重量計にかかります。鳥が、垂直にものすごく高く飛んだ場合には、その圧力は鳥かごの側面（自由に空気は出入りできる）に分散するでしょう。極端な状態では、鳥かごだけの重量になるでしょう。

（４）そうなるでしょう。

回答No.12

kenojisan

えーっと、誤解が有るといけないのでコメントしますが、#11さんの例え話は「相対速度」では有りません。相対速度とは、この場合で言うと地球の運動と遠方の恒星の運動の運動ベクトルの差で表すので、恒星を静止していると仮定するなら、最大相対速度は地球表面の回転速度にしかなりません。
本当に相対速度が光速を越えると、恒星からの光は届かなくなるので、見えないはずです。また、相対速度の場合でも光速を越えることが出来ないというのが相対論だと思います。
この例え話しでは「見かけ上の動きを回転速度に換算すれば」とでも言うべきでしょうか？
また、実際に太陽系が所属する銀河系を含めて、各星雲はものすごい速度で回転しているようで（でも光速は越えませんが）、太陽系も銀河の中心に対して秒速約200kmで回転しているそうですから、光速の0.1%もの速度で動いているんですね。

お礼

たくさんの回答ありがとうございます。
物理をやってらっしゃる方には簡単な
ことかもしれませんが、私のようなものには
(2)がピンときませんでした。
しかしこのようなことでは光速は超えないんですね。

まとめてで申し訳ないですが、
たくさんの丁寧な回答本当に
ありがとうございました。

回答No.11

N64

（２）の長い棒と、少し観点がちがいますが、地球は1日に1回自転しているので、地球の周りにある恒星が形作る星座は、1日に1回、地球の周りを回っています。地球の周りの恒星は、かなり遠方にあるので、それらの恒星が、地球の周りを回る速度という意味では、光速を超えていることになります。もちろん、実際には、回っているのは、地球なのですが、地球から見た相対速度は、光速を超えています。もし、計算が合っていれば、地球から、約０．１６光年以上の遠方にあれば、光速を超えていますから、太陽を除く、すべての恒星が地球の周りを回る速度は、光速を超えています。星座は、ものすごく大きなレコード盤ですよ。

回答No.10

kenojisan

#8の回答者です。

> 長い棒でなくて、
> ものすごい大きいレコードがあるとして

はい、棒でもレコードでも同じ事です。この二つは回転させるという意味でも同じことで、通常の速度＝角速度x回転半径が光速に近づけば、回転運動の先端部分に近い部分ほど、どんどんと動きにくくなり（慣性質量が増す）それ以上加速出来なくなるはずです。
このような運動は直線運動と基本的に同じ話しなので、相対論の限界を考える上ではまだ分かりやすい気がします。
例えば、30万km（光速で１秒かかる距離）の長さの棒を星の間にたてかけて、端をちょいと押してやります。すると、通常の感覚では瞬時にもう片方もちょいと動いて、１秒より短い時間で信号を送ることが出来そうに思いませんか？つまり、光速を越える信号伝達が出来るという相対論に反する答えになりそうな気がしませんか？
こういう例では、理想的な剛体棒を考えていたのではそんな気がしてしまいます。こういう例では、理想的な剛体棒を考えるわけにはいかないのです。棒の中を力が伝わるにも、原子と原子の間の力伝達が必要であり、有限の時間がかかるという現実的な解釈が必要になります。その力の伝達速度はやはり光速を越えることは出来ません。
相対論も完全な理論では無いはずで、そのうちに何か破綻するような現象が出てくるだろうとは思いますが、私の知っている範囲ではまだ決定的な話は聞いていません。アインシュタインおじさんって、なかなか手強い人ですね（笑）

回答No.9

N64

(2)の長い棒の思考実験は可能です。そして、実際に、そういうような、現象があるかも知れません。それは、宇宙の膨張です。宇宙は、遠くへゆくほど、膨張の速度が速くなっているそうで、約１４０億光年先の宇宙は、光速で膨張していて、そこからさらに先は、高速を超える速度で膨張している、という説もあります。しかし、高速より早く遠ざかっているところからの光は、見ることができませんので、本当はどうなっているのか、分かりません。しかし、棒の思考実験の場合は、棒の先を見ることは、できそうですね。これに似た、思考実験のようなもので、本当に役に立っているものもあります。それは、数学の「1対1対応」という概念です。有限なもの同士の「1対1対応」が可能だということは、理解できます。ところが、数学では、無限な量のもの同士の「1対1対応」を考えます。しかし、実際に無限なもの同士を一つ一つ対応させることは、できません。思考の上だけで可能なことなのに、それでも、その結果導かれる、数学の定理は、級数や、微分や積分など、いろいろなところで、実際に役に立っています。

回答No.8

kenojisan

他の質問は既にみなさんが回答されているのと同じように思うので、(2)だけ。
現実の棒は、#2や#4の回答のように原子や分子の結合を含むので、力の伝達や歪みがとても光速に到達出来ないでしょう。もし、理想的な剛体で出来ていたとしても、特殊相対論に従えば物質の速度が光速に近づくにつれて慣性質量がどんどんと増加していきますから、棒を動かすのに必要な力が無限に増大し、やはり光速を越える動きはできなくなるはずです。

補足

まずは
たくさんのご回答本当にありがとうございました。
本来はお一人ずつお礼をするべきですが、
ここでまとめてお礼させていただきます。

で、(2)についてですが、不可能なことはなんとはなく
わかりましたが。
新たな疑問が湧いてしまいました。
（ここで再質問するのはルール違反なら別途上げますが
とりあえず書きます）

長い棒でなくて、
ものすごい大きいレコードがあるとして、
１周１秒でまわるとして、レコードのふちの
速度が光の速度を超えるくらい大きいレコードは
回転自体が不可能ということになるんですか？？？？
（もちろん重力も空気抵抗もない宇宙空間でのことです）
また眠れなくなってきました。

回答No.7

silverbear

>もし棒の素材がしならない折れないような（自在にはないでしょうが）素材なら光の速度を超えることは可能ということでしょうか？

相対性理論自体が仮説ですからね。もしかしたら可能なんじゃないですか？（仮説と言う事は覆る可能性があります。一部の科学者は相対性理論のほころびを必死で探しているので、光速を超える事ができる可能性もあると思います）
ただ、電子一つを光速近くまで加速するのすら困難な現在、それを実験できるようになるのはまだまだ先だとおもいます。

でも、その考え方は良いと思いますよ。
分からないもの、納得できないものは納得できるまで知りたいと言う考え方です。
この程度の事ならば答えられる人は沢山いますが、いずれまだ誰も答えられない事が疑問に思う事があるかもしれません。
そのとき、もし自分で調べる（検証、実験）事ができたなら、ノーベル賞がもらえるかもしれませんね。
がんばってください。

回答No.6

FMnew7

(1)について。
車が停止あるいは等速運動している場合は、虫には重力しか働かないので、下に落ちないように飛ぼうとします。
そして、車が加速し始めると進行方向とは逆の方向に力が働き始め、その力と重力の合力が虫にとっては重力と同じように感じるのではないかと思います。
質量×加速度＝力、ですから。

回答No.5

jameskun

（２）番だけ。それ有名な『月で競馬やっていて、地球の場外馬券場で時差利用したら絶対儲かるか？』という命題ですね。

残念ながら、いくら硬い棒でも分子で出来てる以上、動かすと同時に端まで運動が伝わるのには時間が掛かるという話です。
つまり、分子が隣の分子に順番に運動を伝えて行くのですから、その速度はミクロで見るとやっぱり光速を超えられないということでした。

回答No.3

water-cooled

No2です。

すこし題意を取り違えていたかもしれません。
地球から月に棒を渡して、それを動かすことで通信したら、光よりも早く通信できるか？
というよくある命題と混同しました。

回答No.2

water-cooled

（１）
私たちは、シートなどから力を受けて加速します。
飛んでいる虫は、空気からも加速を受けることができるでしょうが、車の加速が大きいときは、一生懸命羽ばたいて加速を得ないと壁にぶつかると思います。

（２）
棒といっても物質の結合でできているので動きが伝わるのには時間がかかるので大丈夫です。

それではまた暇なときに。