高校物理I、力学の質問です

質問

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。

回答No.5

ka1234 · ベストアンサー

こんにちは。ついついそのように考えてしまう人は多いと思います。

・まず静止している物体を考えます。これに外部から力が加わらなければ、静止し続けますよね。逆に外部から力が加われば、動き始めますよね。

・同じように、ある速度で運動している物体に力が加われば、運動の速度が変わります。後ろから押せば速くなるし、前から押せば遅くなります。止まる場合もあります。

・従って「等速直線運動をし続ける」ということは外部からどの向きにも
　　　　　「力が加わっていない」
ことになります。（力が加われば速度の大きさや向きが変わりますから）

・まとめると、物体が動き始めるもととなる力が、あたかも、等速直線運動をしている最中にも働いているかのような誤解であると言えます。
ニュートン力学にとっては、「加速度こそが命！」なのであって、加速度が 0 ならば、静止状態も等速直線運動も同じなのです。これを理解するのが、難解な物理学を理解する第一歩です。

回答No.6

sanori

なるほど。
父が高校の教師をしていた頃、当時中学生の私にこう尋ねたことがあります。
「物体をいったん投げたら、手から放れた後に力を加えなくても、
　ずっとそのまま動き続けると思うか。」
と。
中学生の私には「等速直線運動」などという言葉さえ分かるはずがありません。
しかし私は、自分のその場の直感とはったりで、
「そのまま動き続けると思う。」
と答えました。
父は、
「そうだよな。しかし、授業でこれを教えると、
　生徒に（直感的に）なかなか理解してもらえないんだ。」
と。

質問者さんの疑問も、もっともだと思います。

すでに回答のある、体育館の床を転がるボールやキャッチボールの例は
良いですね。
しばらく、そのことをイメージしていれば、いつか頭の中に定着し、
理解できるようになってくると思いますよ。

自転車や自動車の例を挙げますと、
一定速度で走っているのに、ペダルをこいだりアクセルを踏んだり
しなくてはいけない理由は、空気抵抗、機械的摩擦、路面との摩擦などの、
"速さを邪魔する力"とつり合うような力を与えるのに必要だからなんですね。

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さて、以下は、微分積分を使った説明です。
ニュートンの第２法則が関係します。

力がつりあっているときと、力が加えられていないときというのは、
基本的に同じです。
仮に、物体（質量をｍと置く）にかかる２つの逆向きの力を
Ａ、Ｂ（いずれも定数）と表すことにしましょうか。
Ａは正、Ｂは負で、Ａ＋Ｂ＝０　です。つまり、つり合っています。
（一例：　Ａ＝２、Ｂ＝－２）
物体の加速度をａと置くと
ａ　＝　Ａ／ｍ　＋　Ｂ／ｍ　＝　（Ａ＋Ｂ）／ｍ　＝　０
（つり合っているので、加速度がゼロになりました。）
よって、物体の運動を表す方程式は、
ａ　＝　０
これを時間ｔで１回積分すると、速さの式になります。
速さｖ　＝　∫ａ・ｄｔ　＝　∫０・ｄｔ　＝　０　＋　定数　＝　定数
ｖ　＝　定数

さらにこれを１回積分すると、位置（距離）の式になります。
ｘ　＝　∫ｖ・ｄｔ　＝　ｖ・∫１・ｄｔ
　＝　ｖｔ　＋　定数その２

ｔ＝０のとき、位置がゼロ（スタート地点）になるように定数その２を選ぶと、
０　＝　ｖ・０　＋　定数その２
なので、定数その２＝ゼロ

よって、
ｘ　＝　ｖｔ
位置（距離）　＝　速さ×時間
これは、まさに、等速直線運動の式ですよね。

これらのことは、今すぐに覚えなくてよいことですけれども、
物体にかかる力がつり合っているときに、等速直線運動になるという
理屈が存在するということは、何となくでよいので覚えておいてみては
いかがでしょうか。

お礼

申し訳ありませんが、お礼をまとめて書きたいと思います。
皆さんありがとうございました。

確かに加速度０で運動している物体は、何か外力を加えなければとまることもできないですよね。それが、地球では摩擦力なのでした。忘れてました。
納得できました＾＾

実は物理の偏差値が70近くあるので、いまさらこんな質問を先生にできなかったのです；；いけませんね、こんなんでは。しっかりしないと！
あと受験まで半年も切りましたが、勉強がんばります！

回答No.4

shintaro-2

>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？

キャッチボールをしたことがありますか？

　ボールが手から離れて、相手のところまで空中を飛んでゆきます。

　貴方の考えだと、下向きの重力しか加わっていないのに、どうしてボールは水平方向に移動しているのでしょう。

回答No.3

yuu999

日常の生活の中では、力が働いてないと、静止するというのは、よくわかりますが、こんな例を考えたらどうでしょう。
　芝生のおいしげったコートでボールを転がす
　体育館の床の上で同じボールを転がす

体育館の方が転がりやすいと思います。
速度が変わりにくい。
これは、芝生が転がるのを邪魔しているからです。
この力が芝生の方が大きいといえます。

よく転がる体育館でも、いつかは運動は止まります。
止める力が働いているからです。芝生に比べて、その力はわかりにくいですが。

このように、私たちの生活には、目に見えない摩擦力というのが働いています。空気さえもその力になります。触れ合えば、必ず、摩擦力が発生すると考えていいでしょう。
　私たちが何物にも触れないで生活することは不可能です。摩擦力は必ず、発生します。しかし、見えにくいので、力が働いてないと勘違いするのは、当然です。
　この摩擦力さえ、ないと頭の中で、考えたら、どうでしょう。
いったん、力を加えて、あとは、力を抜くと、水平に動き始めたら、止まることなく、動き続けるのではないでしょうか。
　つまり、水平に、一定の速さで運動していれば、力は働いてないと考えていいのです。

回答No.2

lele00

ニュートンの第１法則を良く見て下さい。http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%AD%89%E9%80%9F%E7%9B%B4%E7%B7%9A%E9%81%8B%E5%8B%95
等速直線運動とはある動いている物体が同じ速度で運動している状態の時を言います。すなわち力が加わっている状態の時はだんだんと早くなっているはずで、等速直線運動にはなっていません。物体が動き出して外から何の力も加わっていない状態になってから速度が安定するはずです。その時点では基本的に外力はありません。

回答No.1

noname#56760

重力も空気抵抗もない空間で、ボールを投げるのをイメージしてください。
　投げる瞬間は、ボールに力が加わりますが、手から離れた瞬間、ボールには全く力が働いていない状態になります。