重いものも軽いものも落下する速度は同じ

質問

中学生です。
「重いものも軽いものも落下する速度は同じ」というのが納得できません。
重いほうが早く落ちるじゃないかと聞いたら空気抵抗があるからといわれたのですが、それでも納得できません。
どなたかうまく説明できる方いらっしゃいませんか？

回答No.16

doahodesu

まず、「抵抗」、「浮力」、「質量」、「重量」、「重力」という言葉は、全て理解できますか？
今は中学校の理科の教育課程で、もしかしたら「浮力」は削除されているかもしれません（自信はないですが）。
とにかくできるだけわかりやすい言葉で説明してみますね。

まず、真空中であれば何故同じ速度で落下するかという点です。
質量の大きいものと小さいものを水平方向に、同じ時間で同じ速さになるように（同じ加速度で）動かすには、もちろん質量の大きいものの方が大きい力が必要であるのはわかりますよね。
（あなたがバスと軽自動車を押して動かしてみてください。軽自動車の方が小さい力で速く動きますね。）

ところが重力（地球と物質が引っ張り合う力）というのは不思議なもので、質量に比例して力がかかるのです。（厳密には比例ではありませんが、詳しくは高校以上で勉強してください。）
質量の大きいものには大きい力が、質量の小さいものには小さい力がかかります。
この結果、真空中では質量の大小に関係なく同じ速さ（同じ加速度）で落ちることになります。
ここまではたぶん理解されているでしょう。

ここからが問題です。
前述した「抵抗」や「浮力」というのは、落下を考えた場合、下から上に働き、重力を妨げる方向に働く力です。
この力は、★重力のように質量に比例していません。★
大きさ（体積）や形状、表面のざらつきなどに関係しているのです。

つまり中身の入ったペットボトルと、空のペットボトルを例にとると、
中身の入った方は質量が大きいので、空のほうより重力も大きいです。
しかし、この２つは質量以外（体積、形状、表面の材質など）はほぼ同じなので、同じような「抵抗」、「浮力」を受けます。

簡単に数値で説明しましょう。
中身の入ったほうは、重力が1000、空気抵抗、浮力などが10という力だと仮定します。
そうすると落ちる向きの合力（差し引きの力）は990ですね。
ところが空の方は、この順に100、10、90となります。

次が難しいのですが、この２つの質量は1000と100でしたね。
ところが下向きに引っ張られる力は、990と90になりました。
中身の入ったほうは、真空中に比べて99％の力になり、空の方は90%ですね。
この力の差が、落下速度を変えているのです。

この現象のキーポイントは、
「重力は質量に比例しているが、抵抗や浮力は質量に比例していない。」
ということです。
抵抗や浮力がもし質量に比例していれば、２つは全く同じ速度で落下することになります。