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ニュートンの運動第1法則:「慣性の法則」の必要性について解説

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慣性の法則の存在意義について説明します。慣性の法則って第2法則のF=maに含まれるのでは? F=0場合と同じじゃねって長い間思っていたので、解説したいと思います。

慣性の法則

まず、慣性の法則について説明したいと思います。Wikipediaには以下のように書かれています。

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

 

等速直線運動は、同じ速さで直線運動する(曲がったり向きを変えたりしない)という意味です。 まず、この法則は2つのことを言っていますね。「外部から力を加えない場合、静止している物体は静止状態を保つ」、「外部から力を加えない場合、運動している物体は等速直線運動を続ける」の2つです。

つまり、力を加えない限り、「静止している物体は勝手に動き始めない」し、「動いている物体の速さと向きは変わらない」ということです。当たり前といえば、あたり前ですね。

F=0の場合

それでは、運動の第2法則はF=ma(物体にかかる力=物体の質量×物体の加速度)です。つまり、F=0(外部から力加わらない)のとき、[te

x:a=0]となる。加速度がゼロなので、「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」します。

なので、第1法則は第2法則に含まれるのでは?と僕は思っていました。でもどうやらそういう意味ではないようです。

非慣性系

慣性の法則が成り立つような系(空間)」を慣性系といいます。分かりにくいと思いますので、慣性系ではない系の例を出してみましょう。エスカレーターに乗っている人を考えてみましょう。エスカレーターが昇り始めたとき、下向きに力を感じませんか。ぐぐって感じで。

でもその力はどこから受けているのでしょうか。誰もエスカレーターの中の人に力を加えていないのに、力を感じています。つまり、エスカレーターの中は慣性系ではありません。

これは、バスの中でバスが急に止まったときに感じる力で一般的には慣性力と呼ばれています。このように力を受けていないのに、力を受けているように感じる場所を非慣性系といいます。非慣性系とは、場所自体が加速度運動をしている系(例えばエスカレーターの中)のことを言います。

慣性の法則の必要性

では慣性の法則はどうして必要なのか。慣性の法則の意味は「慣性系が存在する」という仮定です。もし宇宙のどこにも慣性系がないとすると、我々は有りもしない力があるようにみえてしまうのです。

そこでニュートンは、ひとまず慣性系があると仮定したのです。そして運動を解析するときは、慣性系から現象を見ていると仮定しましょうと言っているんですね。

つまり慣性系から物体を見ないと(第1法則が成り立たないと)運動方程式をちゃんと立てられません。なので、慣性の法則を第1法則に持ってきているんですね。