中学物理、等速直線運動の疑問
- 中学物理の等速直線運動についての疑問を解説します。
- 進行方向に進む自動車や自転車などの等速直線運動について疑問を持っている人も多いです。
- 力が常に働いているのに「力が働いていない」と説明されることに違和感を感じる人もいます。
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中学物理、等速直線運動
こんにちは。 中学理科、等速直線運動について長年の疑問です。 問題集の内容は覚えれば解けますが、きちんとした理解ができていません。 ご解説、というか私の勘違いを論破して頂きたい感じです。 ある方向に常に進み続けているのに、「力がつりあっている／はたらいていない」という表現がいまいち納得できていません。 エアホッケーのパックのように、最初だけアクションを加えて後は自動的に進んでいくだけの例は理解しやすいです。 しかし、よくある「同じスピードで進む自動車の例」が分かりません。進行方向に進もうとしてずっとアクセルを踏んでモーターを動かしているのに、その瞬間瞬間、力をはたらかせているのに、力がはたらいていないんですか？自転車も同様です。坂道を上っている際、一定の速度を保つためあんなに力を入れてこがなければいけないのに、あの状態を「つり合っている」と説明されることに違和感を覚えます。それなら、酷い例ですがこどもが「のりまき」で(寝っ転がってマットの上を等速度でゴロゴロと)進んだ場合、これもギリギリ等速直線運動!?などと考えてしまいます(すみません)。 よろしくお願いします。
- 物理学
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>力がはたらいていないんですか 働いています。 でも、車に働いているのはエンジンからの力だけではありません。それらの『全ての力』がつり合っているから、等速直線運動をしているのです。 逆に言えば、エンジンからの力がなくなれば、ことつり合いが崩れて、等速直線運動でなくなります。 物体にかかるすべての力を足し合わせてつり合いを考えないといけません。一つだけを切り出したら、当然おかしなことになります。 あなたが、右手をAさんから、左手をBさんから、同じ大きさの力で引っ張られているとしましょう(両手を広げて、それぞれ反対向きに)。あなたが2人から引っ張られている力は釣り合っていて、あなたはどちらにも動きません。でも、あなたの右手だけを見ると、Aさんから引っ張られています。この力だけを見て、「私は引っ張られているのに動かない！」と言っているようなもんです。
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- hitokotonusi
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ANo.1補足について その２ ＞それでもまだエンジンモーターは回っていますから、 摩擦などの抵抗力がなければ，ガソリンに点火しなくても一度回してしまえばエンジンは永遠に回りつづけます。これを慣性というわけですね。一定速度での回転から加速したり減速したりするときだけ力が必要です。現実のエンジンでは常に減速する力(摩擦力など)が働いていますから，一定の回転数を維持するためにエンジンの力が必要になります。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
>一定の回転数を維持するためにエンジンの力が必要になります。 納得できました！どうもありがとうございました。
- hitokotonusi
- ベストアンサー率52% (571/1086)
ANo.1補足について ＞エンジンの"加速の"力を打ち消していると、 運動方程式を思い出してください。 (質量)×(加速度)＝(力) (質量)という比例係数分違うだけで，物理では加速と力は同義です。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
運動方程式は未履修です、すみません。
- nananotanu
- ベストアンサー率31% (714/2263)
補足有難うございます。 >逆算してイメージしたらかなり理解が進みました！ お役にたてたようで、良かったです。 >静止状態だけでなく、等速状態の例も頂けたら、と思います。 静止していようが、動いていようが、「最初の運動が保存されて続く」のが等速直線運動(因みに、この用語、中学理科の範囲で一番長い単語(漢字で書いて)、なんですよ)です。静止していても『速度０の等速直線運動をしている』と考えればいいのです。 質問者様の例の、自動車の場合、最初静止していて、『加速して走り始め』ますよね。走り出すためには力が必要で、具体的には「アクセルをぐっと踏み込む」操作が必要となります。 一旦「目的の速度に達した」後には、もう、力を加える必要はありません。ですから、理想的にはアクセルを切っても良いのですが、「摩擦などのその他の力」がまだ残っているので『それを打ち消す分だけの』アクセルを踏めばいいことになります。 一度、等速度運動(等速直線運動と同義)を始めたら、摩擦などで停まろうとする分を打ち消すだけで良いので、アクセルの踏込は『発車時に比べて格段に少し』で良いことになりますし、もし、発車時と同じだけ踏み込み続ければ、『ドンドン加速されて、もっと速くなって』逆にその速度での等速直線運動を出来ません(加速され過ぎてしまう：目的の速度に対して)。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
長い単語だとは思っていましたが、そうだったんですね！ 例に関しては、速度ゼロ超過の例があるのかなあ、と思っただけです。ただ、 >理想的にはアクセルを切っても良いのですが… こちらを聞いて納得できました。 結局自動車の例がエアホッケーのパックのそれと違う点は、道路(摩擦力)と接していることですよね。(※パックもいずれは止まりますけど…パッと見の印象としての違いです)大きな摩擦力がある分、エンジンの進む力が必要になるんですね。 そう言えば自動車運転時に、スピードをキープしようとしてちょいちょいアクセルペダルを浮かせているなあ、と今更ながら気づきました。道路の摩擦力を打ち消す行為をしていたんですね。
- Tann3
- ベストアンサー率51% (708/1381)
前の2つの回答で答は出ていると思いますが、追加で一言。 地球上にいる限りは、「重力」という下向きの力が常に働いています。自動車や自転車の「摩擦力」も、この重力があるために常に働いています。 机の上にモノが置いているとき、摩擦力があるので簡単には滑りません。滑らせて動かし続けるには、横に力をかけ続ける必要があります。これが自動車のエンジンの力だったり、自転車をこぐ力からです。 （自動車も自転車も、最初に動き出すときには大きな力が必要ですが、スピードが出てからは少しの力で維持できます） 重力がなければ、このモノは机がなくとも浮いていますから、机との間に摩擦力はありません。最初にチョンと押してやれば、そのまま動き続けます（それ以上の力を書けなくとも等速運動を続ける）。実際には、「空気の抵抗」の力というのがありますので、だんだん遅くなりますが。 坂道を登るのは、まさしくこの「重力」がマイナス（後ろ向き）の力になるので、それ以上の前向きの力が必要だからです。坂道を一定の速さで登るのは、重力を打ち消す一定以上の力をかけ続けなければなりません。 ですから、逆に坂道を下るときには、放っておくと重力の力がプラスに働いてどんどん加速します。（ブレーキをかけで摩擦力で速度を落とさないと危険！） 重力や空気抵抗、摩擦といった、「目に見えない力」を想像することが大事です。 だから、宇宙ステーションでは、地上では考えられないものの動き方をするのです。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
>まさしくこの「重力」がマイナス（後ろ向き）の力になるので… ああ、そうでした！斜面に平行な下向きの力というものですね！それが働く分坂道のペダルが重くなって、力を"つり合わせるために"力を沢山加え、やっとのことで等速(直線運動)になるんですね。 >重力や空気抵抗、摩擦といった、「目に見えない力」を想像することが大事です。 本当にその通りだと思います。(私は普段の生活に慣れきっているせいでその感覚が掴みづらいです…)
等速直線運動には二種類あります。 一つは、その物体が動いていてそれにまったく何の力も働いていない場合です。そしてもうひとつは動いている物体に働く力が釣り合っている場合です。 宇宙空間でボールを投げた時のボールの動きが前者です。とはいっても実際には宇宙空間でもわずかな力は働いていますが、それを無視すれば、ボールにはなんの力も働いていないのにボールはどこまでも同じ速さでまっすぐ飛んでいきますね。 一方自動車を走らせている場合、空気の抵抗とか、タイヤと地面の摩擦とか、部品どうしの摩擦などの力を受けています。だからアクセルを踏むのをやめればやがて止まっているしまいますね。そこでこれらの力と釣り合うだけの力をエンジンによって車に働かさなければなりません。そうすれば車は等速直線運動をしますね（カーブでハンドルを切る場合のことは今は考えないでおきます）。これが後者です。車を止めようとする力と車を動かそうとする力が同じなので、車は減速もしなければ加速もせず、等速で進むことになりますね。 因みに前者の場合も、その物体を止めようとする力がゼロ、その物体を加速させようとする力もゼロなのですから、釣り合っていると言えば言えるでしょうね。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
>車を止めようとする力と車を動かそうとする力が同じなので… ということは、等速直線運動の状態を"静止"視点でこうは考えても良いでしょうか？ エンジンの進む力と上記回答の諸々の摩擦力がつり合ったせいで、(エンジンは動いているが)"静止状態のような"自動車が、慣性の法則により止まることが出来ず等速で進み続けている。
- hitokotonusi
- ベストアンサー率52% (571/1086)
タイヤを回すために、車の内部でエンジンのシリンダーからギアから、いろいろな部分が動いています。そこのところに摩擦などの力が働いていてタイヤの回転を常に下げようとしています。車が等速で走るためにはこれらの力を打ち消す力が必要で、その力をエンジンから供給します。このエンジンから供給される力と摩擦力等の合計が釣り合うと等速になり、エンジンの力が上回れば加速します。 実際、エンジンを切ってしまえば車はそのうちかってに止まります。 これが摩擦などが働いている証拠です。
お礼
ご回答ありがとうございました。
補足
>車の内部でエンジンのシリンダーからギアから、いろいろな部分が動いています やはりこれらの持つ摩擦力がエンジンの力を打ち消していると素直に理解するべきですよね。ただ、それでもまだエンジンモーターは回っていますから、エンジンの力というより、エンジンの"加速の"力を打ち消していると、そう考えるのはおかしいですか？
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ご回答ありがとうございました。
補足
力がつり合っている→等速直線運動しているではなく、ある等速直線運動はどうして起こっているのか→力がつりあっているから→エンジンの力＝摩擦力で打ち消し→…、と逆算してイメージしたらかなり理解が進みました！最後の例も非常に分かりやすかったです！もし宜しければ、静止状態だけでなく、等速状態の例も頂けたら、と思います。