慣性の法則（列車の中の蝶）

質問

慣性の法則（列車の中の蝶）

A駅からB駅へ向かう列車に僕は乗っている。
いま、A駅に停車中だ。
ドアから一匹の蝶が舞い込んで来た。
蝶は今、座っている僕の伊目の前で空中の同じ位置で羽ばたいている。（ホバリングの状態）
発車ベルが鳴り、ドアが閉まった。
そして、列車が発車した。

このとき、ホバリングしている蝶は僕から見てA駅のほうに動いて見える。

と思うのですが、実際迷い込んできた虫とかが加速していく方向と反対に動くのを見たことがない。
空中に浮遊する物体は慣性の法則を受けないの?

なにか勘違いをしているのでしょうか。

よろしくお願いします。

回答No.5

tnkmnb · ベストアンサー

>空中に浮遊する物体は慣性の法則を受けないの?
空中に浮遊する物体も慣性の法則を受けます。

>実際迷い込んできた虫とかが加速していく方向と反対に動くのを見たことがない。
これは、列車の加速がゆっくりなため(加速度が小さいため)慣性力が小さいからです。
さらには、列車といっしょに動く列車内の空気によって蝶が前向き(加速していく方向)に
押されるので、慣性力(加速していく方向と反対に動かす力)が打ち消されるためでもあります。

>進行方向に0km/hの状態から40km/hへ変移していたとして
>蝶が僕の前で同一箇所でホバリングしているとすると
>蝶は何らかの力（加速度）で40km/hの速度を得ていると思うのですが。
>列車内の空気に押されているのでしょうか？
その通りです。蝶は列車内の空気が押す力によって40km/hまで加速したのです。

加速している間は、蝶は　空気が押す力（前向き）と　慣性力（後向き）
の2つの力を受けます。このほぼ同じ大きさで逆向きの2つの力が打ち消しあうことで、
蝶にはほとんどなんの力も働かない、つまりは、前にも後ろにも動かされずホバリングしている
ように列車内の観測者からは見えるというわけです。
ちなみに、これは横軸の話で、縦軸は重力(下向き)と羽ばたきによる浮力(上向き)が打ち消し合います。

ここで、
「2つの力が打ち消しあうことで蝶にはほとんどなんの力も働かないのにどうやって蝶は40km/hまで
　加速したのか?」
と疑問に思うかもしれませんが、これは列車内の観測者の見え方と列車外の観測者の見え方を
混同している為です。

列車内の観測者は
「空気が押す力と慣性力が打ち消し合って蝶は静止している(ホバリング状態)である」
というように見えるわけです。
実際に、蝶は列車内の観測者(列車に乗っているお客）の目の前でヒラヒラとホバリングしているように
見えるわけです。
列車内のお客には、蝶が40km/hの高速でビューンと瞬間移動しているかのごとく
ものすごい速さで飛んでいるようには見えませんよね。
(もちろん列車外の観測者の立場になって、この蝶は40km/hで動いているんだよなと想像することはできます）

列車外の観測者は
「列車が動きだして蝶は取り残されそうになるが、列車内の空気と一緒に動いて蝶は40km/hまで加速していく」
というように見えるわけです。
実際に、列車の窓が開いていたり、極端にいえば列車がオープンカーのようになっていたとしたら
列車といっしょに空気は動きませんので、蝶は駅に取り残されます。
また、列車が40km/hで等速直線運動しているときは列車外の観測者(踏切の前にいる人など)の目の前を
蝶は40km/hの速度でビューンと通過していくように見えます。

「2つの力が打ち消しあうことで蝶にはほとんどなんの力も働かない」←これは列車内の観測者の見え方
「蝶は40km/hまで加速した」←これは列車外の観測者の見え方

注意してほしいのは、慣性力というものは加速度運動をしている列車内の観測者だけに見える(感じる)力で
あって、列車外の観測者には見えない力だということです。

回答No.4

htms42

＃３です。
「電車の中の空気が電車と一緒に動いているから蝶も一緒に動いている」という説明では駄目だということのようですね。
座席に座っているあなたが電車と一緒に動いて行くことができるというのと同じなんですが。

＞慣性の法則は蝶にも働いていると考えています。

「慣性の法則は人にも働いていると考えています」とは言わないのですか。

あなたの考えている「慣性の法則」というのはどういうものであるか確認しておいた方がよさそうですね。蝶と人とで違うというところも合わせて説明してください。
その内容を見て改めて回答を書きます。

回答No.3

htms42

蝶は駅で止まっている電車に乗ってきたのでしょう。
動いている電車に飛び乗ったのではありませんね。
ドアが閉まって電車が動き出せば電車の中のものはすべて一緒に動きます。
電車の中の空気と一緒に蝶も動きます。
質量の小さい蝶の方がかえって電車の動きについていくのは楽でしょう。
人は空気に乗るというわけにはいきません。床が動いてそれに体がついて行きます。
しっかりと踏ん張って立っていなければ足だけが電車と一緒に動いていき、体はおいてけぼりになってしまいます。
電車の中で風が吹いていなければ電車の中の空気は電車と一緒に動いているということです。
窓が開いていれば空気が電車についていけなくなります。
蝶も空気と一緒に取り残されてしまいます。

「慣性の法則」がどうのこうのという問題ではないでしょう。

補足

ご意見ありがとうございます。
条件がもれていました。窓は閉まっていて、車内は無風とします。
物理とは万物に作用する原理と認識しております。
つまり、質量があれば同じように作用すると思っています。
慣性の法則は蝶にも働いていると考えています。
ご意見引き続きお願いします。

回答No.2

tonsaku

A駅からB駅へ向かう列車に僕は乗っている。
いま、A駅に停車中だ。
ドアから "一人の人間" が乗り込んで来た。
その人は今、座っている僕の目の前の同じ位置に座っている。
発車ベルが鳴り、ドアが閉まった。
そして、列車が発車した。

このとき、すわっている人間は僕から見てA駅のほうに動いて見える・・・でしょうか？
おそらく、加速していく方向と反対に長椅子上を滑っていくのを見たことがないでしょう。

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また、すわって無くとも、立って手すりにつかまっている人でもいいでしょう。
もちろん、蝶も電車上に固定された系からみれば、慣性力を受けているはずです。

人間は、「歩く」ことによって、つまり、地面との摩擦を利用することによって移動します。
その場に座って(立って)いれば、その摩擦によって、慣性力を受けてもその場にとどまっていられます。
（必要なら、ふんばります。）

蝶は、「羽ばたく」ことによって、つまり、空気抵抗を利用することによって移動します。
ホバリングしていれば、その空気抵抗によって、慣性力を受けてもその場にとどまっていられるのではないでしょうか？
（必要なら、踏ん張って、いつも以上に羽ばたいているのではないでしょうか？）

吊ってあるボールやつり革などは「踏ん張る」ことはできませんから、
慣性力のみによって運動し、目に見えてA駅側に引っ張られて、その位置を変えるでしょう。

実験してみてはいかがでしょう？
電車か、あるいは自動車の方が実験しやすいかもしれませんが、
急発進or急ブレーキする瞬間に浮いているように、ボール等を 真上に 投げてみてはいかがですか？
（注：あくまで、ボールが中に浮いている瞬間の急発進or急ブレーキです。）
ボールは踏ん張れませんので、元の手の平の上に戻ってこず、後ろ(加速方向と逆)にずれた位置に着地しませんか？

補足

ご意見ありがとうございます。
条件がもれていました。窓は閉まっていて、車内は無風とします。
慣性力と反対の力は何なのでしょう？
進行方向に0km/hの状態から40km/hへ変移していたとして
蝶が僕の前で同一箇所でホバリングしているとすると
蝶は何らかの力（加速度）で40km/hの速度を得ていると思うのですが。
列車内の空気に押されているのでしょうか？
引き続きお願いします。

回答No.1

nananotanu

窓が閉まっていれば、電車の中の空気も電車と一緒に動くので、蝶はホバリングしたままでしょう。進行方向の前後の窓が開いていれば、車内を空気が吹き抜けるので、蝶はA駅に取り残されるように見えるでしょう。

要は、貴方が車内で(進行方向の)風を感じれるかどうか、デス。(その点では蝶と貴方に違いはない)

補足

ご意見ありがとうございます。
条件がもれていました。窓は閉まっていて、車内は無風とします。
蝶は空間の空気に依存するということでしょうか？
また、ホバリングという行動が慣性の法則と反対方向に力が作用しているということでしょうか？