電車の中の風船

質問

はじめまして。
もう10年近く昔の話になるのですが、私が予備校生だった頃
予備校の物理の先生が出した問題なんですが答えを聞かない
まま卒業してしまい、ずっと気になっておりました。
（答えは聞いたのですが理由を聞けなかったのです）

ふわふわ浮く風船を電車の床に紐でつなぎます。（電車は止っています）
わかりにくいですかね(^^ゞ
よくお祭りなんかで子供が持っている浮いてる風船です。
それを電車に乗って床に紐の端をセロテープでくっつけた状態です。

この状態では風船は床からまっすぐ上に浮いていますよね。
問題はこの状態から電車が動き出した場合、風船はどちらの方向に傾くか？
1,電車の進行方向。（紐が進行方向、前に傾く）
2,進行方向と逆側。（紐が進行方向と逆、後に傾く）
3,動かない。
というものです。

答えは1番の進行方向に傾くなのですが、どうしてなのか解りません。
普通に考えると慣性の法則により2番ですよね？
2番3番だとなんとなく納得できるのですが1番の前に傾くのだけは理解
できません(T_T)
なぜでしょうか？どんな力が働いて風船が前に傾くのでしょうか？

ちなみに、紐、風船等の質量や風船の中の気体がなんなのかは設定
されていませんでした。

回答No.3

acacia7 · ベストアンサー

電車が走り出した瞬間は、ご想像通り、後へ行きます。
これは仰るとおり、慣性によるもので、風船の付近の空気とともども、後へ流れるのです。

つぎに、ある程度の期間、同様の加速度で走りつづけるとしますと・・
電車ないでは見かけの力が後ろ向きにかかることがわかります。＜慣性力です。
すると、空気や風船にかかる見かけ上の力は「重力」と「慣性力」の合力となり、
下方後にかかる力となります。
すると、重いものがその力を多く受け、下方へ、
軽いものは浮力により上方へ動くことになります。
風船は、停止時、上方へつりあがっているわけですが、
その「上方」が相対的に「前上方」になるため、
風船は前のほうに傾くわけです。

最初の後へ流れる動作は質量が小さければ、慣性も小さく、
空気抵抗がちいさければ、すぐ緩和しますので、
動作としては観測しづらいかもしれません。
となると、「紐が進行方向に傾く」が正解になるわけです。

回答No.9

guiter

No5 の rei00 さんが紹介されているので、
リンク先の自分の回答を読み直してみたところ少しミスがありました。

http://odn.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=259040
における No.17 の回答の最後のほうの

「風船にかかるみかけの重力 mg'= √(a^2+g^2)」

の部分は

「風船にかかるみかけの重力 mg'= m*√(a^2+g^2)」

と読みかえて下さい。

回答No.8

haruka0322

＃7です。
↓の浮力の説明があまりにも適当すぎるかもしれません・・・。
よって多少訂正させて頂きたい。
この場合の浮力は、風船+中の気体の質量が回りの空気よりも軽いために
相対的に空気などにかかる重力の大きさよりも、風船にかかる重力の大きさの方が
小さいために、はたから見ると風船が上向きの力を受けているように見える・・・
のだと思います。分かりにくかったらスイマセン。
それはきっと私がちゃんと理解してないからです。
申し訳ない。

回答No.7

haruka0322

＃5の参考リンクを見た限りでは、答えは1ですね。
理由は＃6のもあるはずですが、やはりメインは
1.風船にかかる重力
2.風船とその中の気体の質量に対してかかる慣性力
この二つの力の合力の方向が進行方向に対して後ろ下にかかります。
風船は、普通の場所でおいておくと当然上に向かって浮きますよね。
浮力というのは、簡単に言えば「重力と逆の方向に向かう力」
だと思うので、1と2の合力の向きと逆向き、つまり進行方向に対して
前向き上方、ということになるのだと思います。

んが、私は一介の高校三年生なので多大な信用は禁物です（汗
一応理学部物理学科を目指しているので、子供っぽいかもしれませんが
まったくの的外れな解答ではないと思いますが。
自分も興味があるので、明日あたりに学校の高学歴な
頭のいい物理の先生に聞いてみようと思います。

回答No.6

noname#3111

風船に力が働くというよりも、周りの環境が変わるということではないでしょうか。
電車が動き出しても空気はその場にとどまろうとします。
すると電車内で全体的に後方へ向かって空気が圧縮されますよね。
あとは空気より軽い風船が圧縮され空気が混み合っている後方ではなく、すいている前方へ追いやられるということだと思います。

回答No.5

rei00

この質問は過去にもなされており，詳細な議論が行われました。御覧になってみて下さい。

　　◎ QNo.259040車内の風船はどっちに動くか？

参考URL：

http://odn.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=259040

回答No.4

ken-oo

皆さんのおっしゃる通りなわけですが、
直感的に分りやすい説明としては・・・

慣性による力は、風船だけではなく、まわりの
空気にもかかります。

空気は風船の中のヘリウムよりも「重い」ので
空気にかかる慣性力のほうが風船にかかる慣性力よりも
大きくなります。

したがって、まわりの空気が「風船を押しのけて」電車内を
後ろに流れます。

結果として風船は前に押し出されます。

．

回答No.2

a-kuma

風船が浮いている方向は、重力が働く方向の反対なんです。

電車が走り出すときには、慣性力として、進行方向の逆に向かって加速度が加わります。
風船は、その逆方向に浮こうとして、進行方向に傾きます。

絵で見ると一発で分かります（→参考URL）。

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/CXE06233/geo/balloon.html

回答No.1

north073

いえいえ、たいへんわかりやすいご質問でしたよ。

私も「え？」と思い、検索してみたところ、下のＵＲＬにずばり答えが出ていました。
なるほど、風船にかかる縦方向の力というのがポイントなのですね。
とはいえ、私もまだはっきりわかったわけではないので、改めて読み返してみます。

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/CXE06233/geo/balloon.html

お礼

皆様、早速のご解答ありがとうございます。
一人一人にお礼文を書くのが礼儀かとは思いますが、なにぶん只今
仕事中でして時間がとれませんので、これを皆様へのお礼とさせて
頂くことをお許し下さいm(__)m

こんなに早くしかも、こんなにたくさんレスが付くとは思ってもいません
でした(^^ゞ結構有名な問題だったんですね。自分でもっとよく調べるべき
でした。
一通り読ませて頂きましたが、私の頭ではすぐに理解できませんでした(T_T)
紹介して頂いたURLを時間のある時にじっくり読んでみたいと思います。

これで10年来の疑問がスッキリしそうです！
ありがとうございましたm(__)m