水を充填したビニール袋に打撃を加えた時…

質問

打撃系の格闘技を行っている者です。
頑丈なビニール袋に7割ほど水を詰めて密封した物を吊るし、
サンドバック代わりにして打撃の練習をしていたところ、不思議なことに気付きました。

・遠距離から拳を衝突させるように素早く打った時、このサンドバックは
「ほとんど変形せずに大きく後方に移動する」

・拳を接触させ、やや押し込んだ状態から前者より遅く打った時、このサンドバックは
「大きく変形するがほとんど後方に移動しない」

また前者の場合、当ったのと同時に拳に強烈なサンドバックからの反作用を感じますが、
後者の場合、まったくと言っていいほど感じません。

どうしてこのような現象が起きるのでしょうか？
もしよろしければ教えてください。

回答No.3

noname#74145

慣性の法則の応用ですね。
水を小さなかたまりと考えた場合素早く打った時は袋が変形する、つまり水の位置が変化する前に力が伝わるので形を保ったまま後ろにずれます。この時に水は変形しないのですから硬いものを打ったのと同じ感触が伝わってきます。つまり袋の水全部がコブシに反作用を与えるのですね。
次に

ゆっくり打った場合は水が変形する十分な時間が有りますから袋全体を動かす力が発生しないのです、変形で吸収してしまうのですね。

仮に水よりも軽い、例えばアルコールのような物で同じ実験をすると少し感触が違うと思いますよ。強く打った時でもこぶしの痛さは水よりも少ないと考えられます。

結局水は大きな質量を持っていますので短時間には変形もしにくいし後ろにも動きにくい（慣性の法則）のです。

お礼

回答有難う御座います。

＞慣性の法則の応用ですね。
＞水を小さなかたまりと考えた場合素早く打った時は袋が変形する、つまり水の位置が変化する前に力が伝わるので形を保ったまま後ろにずれます。この時に水は変形しないのですから硬いものを打ったのと同じ感触が伝わってきます。つまり袋の水全部がコブシに反作用を与えるのですね。
＞次にゆっくり打った場合は水が変形する十分な時間が有りますから袋全体を動かす力が発生しないのです、変形で吸収してしまうのですね。

なるほど、変形に必要な時間より短い時間内で力を加え終われば
袋中の水は固体のようになるのですね。

＞ゆっくり打った場合は水が変形する十分な時間が有りますから袋全体を動かす力が発生しないのです、変形で吸収してしまうのですね。
＞仮に水よりも軽い、例えばアルコールのような物で同じ実験をすると少し感触が違うと思いますよ。強く打った時でもこぶしの痛さは水よりも少ないと考えられます。

比重の違うものでいくつか試そうと思います。

本当はサンドバックの中身を人体に近い硬さに固めたゼラチン等にしたかったのですが、保管方法などの問題で諦めました。

補足

＞仮に水よりも軽い、例えばアルコールのような物で同じ実験をすると少し感触が違うと思いますよ。強く打った時でもこぶしの痛さは水よりも少ないと考えられます。

ゼラチンなどのように弾性がある物体に打撃を加えた場合、
接触時間（力を加えている時間）が「対象の変形に要する時間より短ければ」変形せずに移動し、接触時間が「対象の変形に要する時間より長ければ」移動せずに変形するといったことは当てはまるのでしょうか？
また打撃系の格闘技では、

力を加えきった後、素早く拳を引く（接触面を無くす）と、
「筋の弾性により変形として蓄積された力を、此方の接触面から逃がすことが出来ない為、震動として相手の体の中に留まり続ける」という説があるのですが、人体のように振動数が異なる物質が複合的に組み合わさって出来ている物に対して当てはめることが出来るのでしょうか？

（単一の素材であるゴム板などに打撃を加え、撓った瞬間に拳を離すと震動し続けますが…）

回答No.2

TACOSS

水の変形に関する応答周波数の問題(慣性・粘性・剛性の兼ね合い)ではないでしょうか。

おそらく、拳を接触させ、やや押し込んだ状態からもっともっと遅く打った」時はまた、

　　「ほとんど変形せずに大きく後方に移動する」

はずです。

「前者より遅く打った」速度が一番変形しやすい周波数に近かったのではないでしょうか。

良くスピードボートなどの事故で「水面にたたきつけられる」というのがありますが、
非常に速い速度だと水面は"固体のように固くなる"っていうのと同じではないでしょうか。
（質問の"変形せずに"に相当）

お礼

回答有難う御座います。

＞おそらく、拳を接触させ、やや押し込んだ状態からもっともっと遅く打った」時はまた、
＞「ほとんど変形せずに大きく後方に移動する」

そうですね、やや押し込んだ状態に近い形態のまま後方に移動しました。

＞良くスピードボートなどの事故で「水面にたたきつけられる」というのがありますが、
＞非常に速い速度だと水面は"固体のように固くなる"っていうのと同じではないでしょうか。
＞（質問の"変形せずに"に相当）

拳や指先ではなく、より接触面積の広い掌で素早く打つと、"固体のように固くなる"現象が確認出来ました。有難う御座いました。

回答No.1

First_Noel

重要な問題が２つ含まれる事例だと思います．

まず袋の位置や形状の変化の大きさの違いについては，

数式で書きますと，Ｆ×Δｔ＝Ｍ×Δｖ，と言う「運動量保存則」が関係していると思われます．
言葉で書くと，
（袋に与える衝撃力）×（接触時間）＝（拳の質量）×（拳の速度変化）
です．
お書きになりました２つの状態では，上記の内，（接触時間）と（拳の速度変化）が異なっていると思われます．

拳の感じる反作用は，上記の（袋に与える衝撃力）の反作用ですから，
接触時間が短いほど，また，拳の速度変化が大きいほど，大きくなります．
この衝撃力が，袋の位置や形状を変化させることになります．

次に，袋の変形状況の違いについてですが，これは「物体の変形に要する時間」が関係していると思われます．
固体でも液体でも，衝撃が加われば瞬時に位置や形状を変えるのではなく，
ある程度の時間をかけて変化します．
もし上記の（接触時間）がこの「変形に要する時間」より十分短ければ，
袋は形状を殆ど変えず，全体的に位置を変化させることとなり，
逆に（接触時間）が「変形に要する時間」より十分長ければ，袋を大きく変形させることになります．

お礼

回答有難う御座います。
確かに接触時間と拳の速度変化は異なってます。
反作用や変形状況について、体感的には理解出来ていたのですが、
明確に言語化出来ず困っていました。有難う御座いました。