運動の状態：物理学解体新書

運動の状態とは

自然現象を解明しようという試みは古代からあった。
アリストテレスやタレスなどの学者達は、自然現象を支配する法則を思索によって明らかにしようとした。

自然現象の解明は主観に頼っていたのである。
そこでは実験による検証もなされないまま、より説得力のある言説が、正しい言説とみなされた。
このように時代が1000年以上も継続した。

自然現象の研究に革新的な方法を取り入れた人物が16世紀に出現した。
その名をガリレオ・ガリレイという。

ガリレオは自然現象を解明するために「事実を測定する」という手法を取り入れた。
実際に振り子の揺れる周期や、球体が斜面を転がる時間を計測した。
客観的な事実のみを用いて、自然現象の真理を見つけ出そうと試みた。

「主観を排し、測定された事実から真理を見極める」
このような手法を「科学」という。
思索のみに頼った究明は、厳密には科学ではないのである。

物理学も科学の一部門である。
従って、「事実を測定する」という原則から離れることはできない。

例えば、「物体がどのように落下するのか？」という疑問を考えてみよう。
このような疑問は古くからあったが、ガリレオ以前の世界では「落下する物体は段々と速度を増す」というような理解しかなかった。
測定器具がなかったからではない。事実を測定しようという発想がなかったのだ。

一方でガリレオ以後の科学的な手法では、この疑問に対し下表のように表現する。

この表では、物体がいる場所を「位置」、位置が変わっていくスピードを「速度」、速度の変化する割合を「加速度」として表現し、それぞれを時間ごとに記録している。
まさに「事実を測定している」のだ。

物体が運動していく様子は、このように時間、位置、速度、加速度で表現することができる。これを運動の状態という。
運動の状態を明らかにすることによって、物体の動きがより的確になるのである。

小中学校の作文では、「5W1H」を学習する。
「なぜ、いつ、どこで、だれが、なにを、どのように」をはっきり書くことによって、内容がより的確に表現され、読み手に正しく伝わるのである。

運動の状態(時間、位置、速度、加速度)は、物理学にとっての「5W1H」なのである。

測定した結果の全体をデータという。
上記の表は、落下する物体の運動の状態を表したデータということになる。

このデータは数字が羅列されているが、もっと視覚に訴えて分かりやすくする方法がある。
それがグラフだ。グラフは直交座標、または極座標で示すことが多い。

余談

直交座標はXY座標、デカルト座標ともいう。

位置、速度、加速度はそれぞれが勝手な値になるのではなく、相互に関連しているため計算で導きだすことができる。

ガリレオ以後、事実を測定するようになり、データを扱うようになったため、グラフや数式を利用することが可能になった。
このため科学の研究が進んだのである。

「物体がどこにいるのか」を示すのが位置である。

日常生活の中で、物体の位置は「机の上」「本棚の右側」「約20m先」等で表現する場合が多い。
しかし、このような表現では、位置の変化を時々刻々追跡するには無理がある。
だから、位置は座標で表現する。
[..位置の詳しい説明はここ]

「物体の移動した距離(位置の違い)」を「移動に要した時間」で割った量を速度という。
自動車で40km離れた地点間を二時間で移動した場合、速度は「20km/時 (時速20km)」となる。

つまり「1時間あたり20kmづつ移動する」という意味だ。

これには三つの点で注意を要する。

１つめの注意点

「時速で表現する場合、実際に走っている時間は1時間でなくてもよい」ということだ。
0.1秒間でもよいし、30時間でもよい。

「仮にそのままの状態で1時間走り続けたら、距離○○だけ移動しますよ」というのが、時速の考え方だ

２つめ注意点

ここでは１時間あたりを例示したが、秒速や分速であってもよい。
物理では秒速を利用する機会が圧倒的に多い。

３つめ注意点

出発地点から到着地点までの全行程を、一定速度(ここでは20km/時)を保ったまま移動したのではない。
スタートと同時にだんだんと速度を上げ、あるときは、30km/時で走ったり、減速したりしながら走った結果、平均が20km/時になったのである。
このように速度は刻々と変化するのだ。

速度が刻々と変化する場合、単位時間あたり(1秒あたりと考えるのが標準)にどれだけ速度が変化するのかといった量が加速度だ。
速度(単位は[m/s])を時間(単位は[s])で割るのだから加速度の単位は[m/s²]である。

例えば、ある物体が30[m/s]で移動している。
この物体の速度は１秒後に35[m/s]、さらに１秒後に40[m/s]、さらにもう１秒後に45[m/s]になった。

１秒あたりに5[m/s]づつ速度が変化しているので、この物体の加速度は5[m/s²]である。
スピードが遅くなる場合は、加速度はマイナスである。

速度と加速度が混乱している人が時々いる。念のため両者の違いを書いておこう。

2005/06/28
2007/09/16
2009/06/14