ニュートンの運動法則に関する記事
1. 力の定義
力とは、物体を加速させるものです。言い換えれば、力とは物体を動かしたり、止めたり、運動の方向を変えたりするものです。力はベクトル量であり、したがって大きさと方向を持ちます。力の記号は F (Force) です。F は力の一般的な記号です。力にはいくつかの種類があり、すべての力が F の記号を持つわけではありません。国際単位系では kg m/s²、別名ニュートンです。
2. 正味力の定義
合力（ΣF）は、物体に作用するすべての力の合計です。力はベクトル量であるため、合計力はベクトル加算の法則に基づいて計算されます。
合計力は10ニュートンで、その方向は右向きです。
合計力は8ニュートンで、その方向は右向きです。
合計力 = 0
合計力 = 0
3. ニュートンの運動法則
ニュートンの運動法則とは、イギリスの物理学者アイザック・ニュートンが提唱した、物体の運動に関する物理法則のことである。
3.1 ニュートンの第一法則
ニュートンの第一法則は、静止している物体は静止し続ける、または一定の速度で直進している物体は
物体に作用する合計力がゼロの場合、物体は一定の速度で直進し続ける。
ΣF = 0
この方程式は、ニュートンの第一法則から導き出された数学的な表現である。
テーブルや石など、身の回りにある物体を見てください。静止しているテーブルは、動かしたり、押したり引いたりといった外力が加えられたりしない限り、静止したままです。テーブルや石、静止している物体には、力が働いていないのでしょうか？物体には力が働いていますが、物体に働くすべての力の合計、つまり総力はゼロです。地球のような惑星の表面にある物体に働く力は、重力 (w) と垂直抗力 (N) です。重力の方向は地球の中心に垂直で、垂直抗力の方向は上向きに垂直です。これら 2 つの力の大きさは同じですが、方向が反対なので、総力はゼロになります。
一定の速度で直進している物体はどうでしょうか? この問題を明確にするために、例えば金属片を床の上で押すとします。押された後、摩擦のために金属は減速して停止します。金属片がさらに遠くまで、またはより長く移動するには、床面と金属板の表面を滑らかにする必要があります。床面が滑らかで摩擦がない場合、金属板は動き続け、停止しません。完全に滑らかな床面を移動する金属板には、力が作用していないのでしょうか? 金属板には、重力と垂直抗力という力が作用しています。これらの力はどちらも垂直方向に作用し、床が滑らかな場合、水平方向の金属板の動きには影響しません。
3.2ニュートンの第二法則
ニュートンの第二法則によれば、物体に作用する力の合計がゼロでない場合、物体は加速する。加速度の大きさは、作用する力の合計の大きさに比例し、物体の質量に反比例する。加速度の方向は、作用する力の合計の方向と同じである。
ΣF = ma
ΣF = 総力 (kg m/s² )、m = 質量 (kg)、a = 加速度 (m/ s² )
式1.2は、ニュートンの第二法則に基づく数学的な表現である。
加速度がゼロ（a = 0）の場合、式1.2は式1.1に変わります。つまり、ニュートンの第一法則はニュートンの第二法則の特殊な場合です。式1.2に基づくと、力が大きいほど加速度も大きくなり、逆に質量が大きいほど加速度は小さくなることがわかります。力、質量、加速度の関係は、これに関する実験を行うことでよりよく理解できます。
サンプル問題1：
上の図に基づいて、物体の加速度の大きさと方向を求めなさい。
解決策：
ΣF = ma
4 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
加速度の大きさは4 m/s²で、加速度の方向は右向きです。
サンプル問題2：
上の図に基づいて、加速度の大きさと方向を決定してください。
解決策：
ΣF = ma
4 kg m/s 2 – 1 kg m/s 2 = (1 kg) a
3 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 3 kg m/s 2 : 1 kg
a = 3 m/ s²
加速度の大きさは3 m/s²で、加速度の方向は右向きです。
3.2.1 重量（w）
重さとは、質量のある物体に作用する重力のことである。
ΣF = ma
w = mg
式1.3は、物体の重量を計算するための式です。
w = 重量 (kg m/s 2 )、m = 質量 (kg)、g = 重力加速度 (m/s 2 )。地球表面における重力加速度 (g) の大きさは 9.8 m/s 2です。計算を簡略化するため、g は 10 m/s 2に丸められます。
3.2.2 垂直抗力（N）
垂直抗力とは、互いに接触している2つの物体に作用する力であり、その方向は接触面の表面に垂直である。
テーブルの表面より上にある物体を観察してみましょう。物体には重力、つまり重さも作用しています。物体は、木から落ちる果物のように自由に落下するのではなく、垂直抗力が働いています。重力（w）と垂直抗力（N）は同じ大きさで方向が逆なので、物体にかかる力の合計はゼロになります。
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 ニュートンの第三法則
ニュートンの第三法則は、物体1が物体2に力を加えると、同時に物体2も物体1に力を加える、というものである。この二つの力は同じ大きさだが、方向は逆である。一方の力を作用、もう一方の力を反作用と呼ぶ。
F作用 = – F反応
式1.3はニュートンの第三法則を数学的に表したものです。式1.3の負の符号は力の方向を示しています。
ニュートンの第三法則をより深く理解するために、実験してみましょう。スケートボードを持っているなら、スケートボードに乗ったまま壁を押してみてください。壁を押した後、スケートボードは後ろに動きます。あなたの力の方向は前向きですが、スケートボードの動きは後ろ向きです。
これは、壁もあなたに力を加えていることを示しています。あなたが壁を押すと、同時に壁もあなたを押し返します。あなたの押す力は壁に作用し、壁の押す力はあなたに作用します。どちらの力も同じ方向ですが、向きは逆です。一方の力を作用、もう一方の力を反作用と呼ぶことができます。
もう一つの実験として、ゴム風船を膨らませて空気を注入し、風船が膨らんだ後に放すという方法があります。放した風船は「飛んで」いきます。風船の動きの方向は、風船から空気が抜ける方向とは逆です。これをどう説明すればよいでしょうか？
風船の口を離すと、風船は空気を押し出します。同時に、空気も風船を押します。この空気の押し出す力によって風船は飛びます。風船が遊ぶ力と、風船に働く空気の力は同じです。2つの力は同じですが、方向が逆です。
図2と図3を比較してください。物体に作用する垂直抗力（N）は、テーブル面などの平面によって加えられる力です。同時に、物体もテーブル面に力（N'）を加えます。これらの垂直抗力（NとN'）はどちらも大きさが同じですが、方向が逆で、異なる物体に作用します。大きさが同じで同じ物体に作用するwとNとは異なります。したがって、NとN'は作用反作用の力です。
