• ベストアンサー
  • すぐに回答を!

高校物理、慣性系

慣性系と非慣性系の違いが明確にわかりません。慣性の法則は運動している物体に対し、外力が働かなければ、物体は等速直線運動し続け、静止している物体は静止し続ける。というのはわかるのですが。初心者にわかるよう教えてください。お願いします。

共感・応援の気持ちを伝えよう!

  • 物理学
  • 回答数4
  • 閲覧数545
  • ありがとう数10

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • 回答No.4
noname#221368
noname#221368

>・・・外力が働かなければ、物体は等速直線運動し続け、静止している物体は静止し続ける。  慣性法則は当然わかる(認める)けれど、慣性系はわからない。というか、慣性系という考えが何のためにあるのかわからない、という質問だと受け取りました。  まず慣性法則と慣性系は別物です。慣性法則は物理法則ですが、慣性系は物理法則ではありません。しかし慣性法則と関連して、力学の体系の中で是非必要となるものです。  物体は質点の集まりです。なので力学は、本質的には質点の挙動を記述できればOKです。質点を粒子と言ったりします。外力が働かな事を、自由だと言ったりします。そうすると慣性法則は、   ・自由粒子は等速直線運動する(静止含む).  (1) という事になります。(1)は当然じゃないか!、と思うかも知れません。しかし問題は、等速直線運動してれば自由か?、というところなんですよ(^^;)。  というのは、自由じゃない粒子の運動を観測したとしても、それが等速直線運動に見えるような観測点なんて、いくらでも考えられるからです。観測「点」と言っても、静止してる訳じゃありません。  自由じゃない粒子と同じ加速度で運動する観測点に観測装置を載っけたら、自由じゃない粒子も等速直線運動になるはずです。だから慣性系は、次のように定義しなければなりません。   ・自由粒子「が」等速直線運動する観測点を、慣性系と言う.  (2)  要するに慣性系とは、慣性法則が観測結果通りに成立している観測点の事です。何故(2)が必要かというと、等速直線運動するか否かで力の有る無しが決まる、そういう体系に力学がなっているからです。そして観測点に人が載ってたら、その人は必ず観測装置の結果を見て、横軸-時間の縦軸-距離のグラフを書くであろうから、少々かっこつけて(抽象化して(^^;))、   ・自由粒子が等速直線運動する「座標系」を、慣性系と言う.  (2’) となります。(2)または(2’)があれば、   ・粒子が自由であるとは、慣性系においてそれが、等速直線運動する事.  (3) と言う事ができます((1)を考慮して)。  で、(1)を考慮すれば慣性系は結局、等速直線運動する観測点(座標系)になります。この辺りから、慣性法則と慣性系の混同も起きるのかな?とは思いますが、(2)と(3)の定義を読んで、「論理が循環してる」と思ったなら、あなたは鋭い。    (2)と(3)が必要だったのはどうしてか?。  それは等速直線運動しているという観測結果だけからは、粒子が本当に自由かどうかはわからないので、慣性法則(1)が正しく成り立つ観測点の「存在」が必要だったからです。  ところが(2)は、「自由粒子が等速直線運動する座標系が、慣性系」だと言い、(3)は「粒子が自由であるとは、それが慣性系で等速直線運動する事」だと言う。  けっきょく(2)と(3)は、何物も示していない。何かの(慣性系の)存在を保証するものではない。  それで結論を言ってしまうと(2)と(3)は、「力の有る無しは、観測によって判定できる」という経験事実があってこそ、初めて成り立つものです。   その最も一般的な方法は、観測点に慣性力が作用するか否かです。最も良く引き合いに出されるのは、ブレーキ中の電車かメリーゴーランド(衛星都市?)です。衛星都市の例で言うと、「少なくとも一つ慣性系は存在すると仮定して」、それに対して回転する衛星都市を想定すると、(遠心力)人口重力が発生するので、衛星都市は慣性系ではなく、非慣性系であるという議論です。  ところがこの議論は、重力に対しては使えないんですよ。国際宇宙ステーションはとんでもないスピードで地球周回軌道を自由落下してますが、「自由落下は加速度運動」です。しかし慣性力は「発生しない」。だから船内は、無重量状態です。  このようなケースでは、近くに地球があって万有引力が働くのだから、国際宇宙ステーションは当然「非慣性系だ!」と判断します。  良い例だと思うのですが、物理はあくまで経験科学です。見た事しか出来なし、それ以上の事は出来ません。  高校の受験体制では、その辺りが省略されてしまって戸惑うかも知れませんが。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ありがとうございました。 頑張ります。

その他の回答 (3)

  • 回答No.3
  • teppou
  • ベストアンサー率46% (356/766)

 要するに、加速も回転もしていない系を慣性系と言います。  その系内で、系が何らかの運動をしていると観測できない状態を慣性系と言います。  地球は、自転と公転をしていますが、その影響は無視できますので、地表は重力を織り込んで慣性系とみなします。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ありがとうございました。 頑張ります

  • 回答No.2
  • omi3_
  • ベストアンサー率24% (254/1030)

 慣性系の実例は 猛スピードで動く宇宙ステーションです。 宇宙飛行士の実験映像をみたことありますよね。  非慣性系の実例は 地球上です。 重力加速度があるので物体には外力が働きます。 しかし、台車などで重力の影響を防げば慣性系の実験ができます。  余談 地球は、太陽を中心に、約秒速30kmで公転しています。 太陽は、銀河系ブラックホールを中心に、秒速240kmで回っています。 銀河系は、フリーで、銀河間は離れているようです。 しかし、 お隣のアンドロメダ銀河とは仲良しで、秒速120kmで近づいています。 見かけの幅は月より大きいんですよ。 早く会いたいですね。 最も地球に外力を及ぼしている星は、月なんですよ。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ありがとうございました。 頑張ります

  • 回答No.1

簡単に言うと、等速直線運動をする座標系が慣性系、等価速運動する座標系が非慣性系ですね。静止している物体は、速度0で等速直線運動しているといえます。 http://www.jukust.jp/archives/articles/%E6%85%A3%E6%80%A7%E7%B3%BB%E3%81%A8%E9%9D%9E%E6%85%A3%E6%80%A7%E7%B3%BB

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ありがとうございました。 頑張ります

関連するQ&A

  • 高校物理I、力学の質問です

    物理Iの慣性の法則ってありますよね。 ある物体に両方から力が加えられて、それがつり合っているとき、静止しているもしくは等速直線運動と教科書には書いてあるのですが… 静止しているのは理解できるのですが、どうしてつり合っているのに運動ができるのでしょうか。一方向に等速とはいえ運動しているのであれば、それは力が一方向に働いているとは考えられないのですか? どなたかお答えお願いいたします。

  • 慣性の法則でならったんですが、「運動している物体はそのままの速さで等速

    慣性の法則でならったんですが、「運動している物体はそのままの速さで等速直線運動を続ける。」と書いてあった部分についてよくわかりませんでした。この等速直線運動というところについて教えてください。

  • 地表は慣性系?

    慣性系とは 慣性の法則が成立する座標系 (つまり物体に何も力を加えなければ、物体は動かないでいられる座標系) 慣性系の座標では外力を受けない限り、運動状態を変えない 慣性系に対して等速度運動する座標系もまた慣性系とみなせる とありますが、 例えば、細かい力(地球の自転による力とか、空気抵抗とか、摩擦力とか) を無視した地表の座標系を考えたとき、その座標系は慣性系といえるのでしょうか? その座標系の中では物体は常に重力がはたらいているのに 慣性系ということはできるのでしょうか?

  • [物理] 慣性の法則は何故成り立つ?

    ふと疑問に思ったのですが、無重力の宇宙で物を押すと私も相手も等速直線運動で離れていくと思います。なぜ、減速や加速することもなく等速で動き続けるのでしょうか? また、これとよく似た現状に、超伝導体を磁石の上に置くと、マイスナー効果で常に浮き続けますが何故でしょうか? これも慣性の法則なの一種でしょうか?

  • 慣性の法則 加速度

    物理の本を読んでいて慣性の法則は力を加えない限りその物体は等速直線運動をする。というように書いてありました。次に加速度の話がでてきました。どうもこの2つが矛盾しているように思います。なぜなら物体は等速という表現があって次に加速度の話をしていて・・・。等速と加速って正反対ですよね?ちょっとこんがらがってます。どなたか教えて下さい。

  • 相対性と慣性系と等速直線運動について

    1.ガリレオ・ガリレイは相対性という事をいう一方で   なぜ天動説を否定し地動説を主張したのでしょうか? 2.地球は間違いなく慣性系ではないはずですが、では慣性系とはどこにあるので   しょうか?「地球は近似的に等速直線運動をしている」と本に書いてありましたが   そんなんでいいんでしょうか? 3.「すべての慣性系は平等であり、同じ物理法則が成り立つ」との事ですが、   地球は慣性系ではないのだから、地球で成り立つ物理法則は地球以外では   成り立たないのではないでしょうか?   地球と相対的に等速直線運動をしている系がどこにあるのでしょうか? 4.エーテルの風が検出されない理由として、「等速直線運動をしているかぎり   どのような実験・観測を行っても絶対静止系は検出できない」とありましたが   それはそれで解るのですが、地球は等速直線運動をしていないのだから、   これをもってエーテルの風が検出できない理由にはならないと思うのですが   どうなんでしょうか? 5.光速度が不変ならすべての系は光に対して相対的に等速直線運動を   している事になりはしないでしょうか?   だとしたら、エーテルは必要なくなったけど、相対的には光が絶対静止系と   なり、やはり等速直線運動をしているかぎり光は検出できないのではないか   と思うのですが、どこかおかしいでしょうか?   光が検出できるのは地球が等速直線運動をしていないからこそなのでしょうか?  どこから手をつけていいのか、混乱してしまって収拾がつきません。 何か統一した見解、理論があるのでしょうか? それとも私の言ってる事、疑問自体がどこかおかしいのでしょうか?

  • 慣性系とは何ですか

    慣性系とはニュートンの運動の第1法則~第3法則がはたらく運動系だと学校で教わりました。 しかし、よく分からないことがありますので以下の2点についてお聞きします。 その1 電車が時速40kmで等速で走っています。この電車の中にAさんがいます。 また、これを地上で観測している人Bさんがいます。 AさんとBさんは同じ慣性系にいるのでしょうか。それとも別々ですか。 F=maなので両者は加速度0、つまり同じ慣性系にいるような気がします。 でもBさんは静止しているので静止系で違う慣性系のような気もします。 その2 上の電車が駅を毎秒5m/s^2で等加速に加速します。 このときAさんとBさんは同じ慣性系にいますか? F=maだと地上と電車の中では加速度が違いますから違う慣性系だと思います。 しかし、webをみると等速度運動でないと非慣性系になると書いていました。

  • 運動の第1法則は必要なのか

    古典力学の学習をしており、運動の3法則について疑問を持ったため、質問させていただきます。 【質問】運動の第1法則(慣性の法則)は、なぜ必要なのでしょうか? 以下、運動の第1法則(慣性の法則)が必要ないと思える理由を記載します。 まず、慣性の法則は運動の第2法則(運動の法則)から導くことができます。 ma=Fという式に対し、F=0を代入すれば、a=0となるので、物体は等速直線運動をするという考えです。 しかし、同じ考えを皆持つようで、「それを踏まえた上でも、やはり第1法則は必要だ」と、ネットや本で調べると書いてあります。 その理由は、「第1法則は、第2法則と第3法則が成り立つための前提条件を提示したものである」とのことでした。 ところが、この主張もおかしい気がします。なぜなら、慣性の法則が成り立つからと言って、運動方程式が成り立つとは言い切れないと思うからです。 慣性の法則の内容は、 「すべての物体は、外部から力を加えられない限り、静止している物体は静止状態を続け、運動している物体は等速直線運動を続ける」とのことです。(Wikipediaから引用) しかしこれは、外部から力を加えられない場合について述べたものにすぎず、これを前提条件としたからと言って運動方程式が成り立つ保証はできないと思うのです。 次のような反例を考えてみました。 「1次元座標系Xと、同じく1次元座標系Qとがある。Xは慣性系(慣性の法則が成り立つ系)である。X内に物体Aがあり、それに対して力F(t)を加える。Qは時間に応じてXに対して変移する座標系であり、X上の点をx、Q上の点をqとすると、 q=x+F(t) の関係にあるとする。(つまり、QはAにかかっている力の分だけ変異する座標系です。) Aに力を加えないとき、F(t)=0なので、q=x+F(t)よりQはXと一致している。したがってQ上で見てもAは静止または等速直線運動をしている。(Q上に他の物体があればそれも静止または等速直線運動をしている) 「外部から力を加えられない限り、静止している物体は静止状態を続け、運動している物体は等速直線運動を続ける」という慣性系の定義に従えば、Qは慣性系である。 しかし、AにもしもF(t)=t^2という力を加えると、q=x+F(t)より、QはXに対して加速度運動をする。したがって、Q上で運動方程式は成り立たない。この場合、Qは慣性系なのに、運動方程式が成り立たない系である。」 このような特殊なケースを考えているのが屁理屈なのでしょうか? しかし、仮に第1法則が第2法則の成り立つ前提として必要十分であったとしても、それだとますます第1法則が必要な理由が分かりません。 同値な2つの法則が書かれていることになると思うのですが意味があるのでしょうか? 以上、長くて申し訳ありません。よろしくお願いいたします。 読んでくださりありがとうございます。

  • 慣性の考え方

    物体はどのような状態でも慣性がはたらいているといえますか? たとえば、 物体(斜面を転がる球。斜面をすべる箱。斜面を下る台車など) は、斜面を下るときに斜面に沿った下向きに加速しますが、 斜面を下っている状態の物体に慣性がはたらいていると言えますか? 斜面を下りながらも、等速直線運動をし続けようとする慣性がはたらいているのでしょうか? (摩擦、空気抵抗はなしとして回答してください)

  • 慣性の法則と人工衛星

    慣性の法則の例に人工衛星がよく挙げられます。力が働かない、あるいは力が釣り合っていたら等速直線運動をする。 この「直線」という言葉が引っかかります。人工衛星は直線ではなく円(楕円)運動をしているはずです。 慣性の法則の例に人工衛星を取り上げるのはいけないのではないでしょうか。