電車の中でジャンプしてもどうして同じところに落ちるの? 「慣性の法則」?

みなさん、電車のような移動体の中で飛び上がっても同じところに落ちますね。不思議です。今回はこの「慣性の法則」について判りやすく解説しますね。

考えるとき大切なのは、電車に乗って走っているときは、私たちもいつも電車と同じスピードで動いているということです。

当たり前のことのようですが、まずこれを頭に入れて置かなければなりません。これがこの問題を考えるとき、一番大切なポイントです。
普通電車の中に乗っているときは、ジャンプしてもただ上に飛んだだけと思いがちです。電車の中にいっしょに乗っている人から見ても、上にジャンプしただけのようにしか見えません。ところが、最初に説明したように、私たちは電車と同じスピードで動いているのです。
つまり、ジャンプして踏み切った瞬間も、私たちは電車と同じスピードで動き、空中に浮かんでいるときも電車と同じスピードで動いているということです。
電車は同じスピードで走っています。空中に浮かんだ人も電車と同じスピードで横に走っているために、結局同じところに降りてくることになるのです。
ですから、もしジャンプした次の瞬間に電車が急停車してしまうと、その人は電車の前のほうに叩き付けられることになるでしょう。なぜなら、私たちは空中にいるときも電車と同じスピードで動いていますが、電車が止まったら、動いているのはジャンプした人だけになってしまうからです。

慣性の法則

あなたはこう考えているのではないですか? 300km/時の新幹線の中で0km/時の自分がとべば、移動するのでは?と。
確かにそれなら新幹線は300km/時(=秒速83m)で走っているので浮いていれば後ろに83mずれて着地するように思えます。
しかし実際は元いたところに着地するので、これは間違っていることになりますね。ではどこが違うのか?
それがまさに慣性の法則です。
あなたの意見のどこがおかしいのでしょう?
それは人間も300km/時で走っている点です(!!)。
つまりジャンプしても人間は新幹線と同じ秒速83mで新幹線と同じ方向に跳んでいることになるのです。
それなら辻褄があいますよね。ジャンプしながら同時に新幹線を同じ300km/時で追いかけてるので、ずれないわけです。
つまり新幹線だけでなく、中の人も、いすも、空気も、新幹線ガール(笑)もみーんな300km/時で走っているのです。

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その中で人があるけば300km+αのスピードで走ることになります。新幹線ガールが10kmであるけば310km/時です。
つまり新幹線より速くなり、前に進む(新幹線を中で追い越す)ことができるわけです。
その証拠を挙げてみます。
もしも新幹線が300km/時で空気が0kmだった場合、空気はおいていかれてどんどん最後尾におしこまれてしまいません?
空気も300kmで走るので、安定しているのです。
わかりづらいですか?ではもっとわかりやすい例を。
新幹線が走り出すと、体がぐーっと後ろにおしつけられますよね。
あれは人が0km/時の状態で新幹線が急にスピードを出すので、体がついていけずにひっぱられるのです。
逆に新幹線が急ブレーキをかけて300km/時から一気にスピードをおとすとどうなりますか?
人の体はまだ300km/時で走り続けているので新幹線より速くなり、前につっこみます。
自動車事故でフロントガラスを突き破る事故もこれによるものですよね。車だけは止まっても中の人は元のスピードで走るので
ガラスをやぶってしまうのです。300kmで走る人が飛び出せば、そりゃ即死ですよね。0kmだったらその場に落ちて無傷です。
この、元のスピードで走り続ける特性を慣性の法則というのです。

止まっている物体に、力を加えなければ、そのまま止まり続けます。動き続けている物体に、力を加えなければ、そのまま動き続けます。これを慣性の法則といいます。もう少し物理的に厳密にいいますと、次のようになります。
慣性の法則
物体に外部から力が働かないとき、または、働いていてもその合力が 0 であるとき、静止している物体は静止し続け、運動している物体はそのまま等速度運動(等速直線運動)を続ける。
これは、運動の第1法則とも呼ばれ、この性質を慣性(惰性)といいます。
この慣性の法則は、運動方程式 m a = F において F=0 の場合を表しているともいえます。F=0 だと、a(加速度)も 0 になります。加速度が 0 というのは、静止している物体は静止し続け、運動している物体はそのまま等速度運動を続ける、ことと同値です。

慣性の法則の例

だるま落としで、打たれなかった木片は止まり続けようとします。
乗り物が急発進すると乗客は後方に倒れそうになります。乗客は慣性によって止まり続けようとしているのに、乗り物が前へ動いてしまうからです。逆に、乗り物が急停止すると乗客は前方に倒れそうになります。乗客は慣性によって前に動き続けようとしているのに乗り物が止まってしまうからです。
摩擦のない、滑らかな氷上に置かれた物体は動き出すと止まりません。地球には重力があるので、この物体に全く力が掛かっていないとは言えませんが、重力の働く方向は鉛直方向なので水平方向には力が働いていないといえます。
同様に、宇宙空間に放り投げられた物体はどこまでも遠くにいってしまいます。実際にスペースシャトルの船外活動で、宇宙飛行士が修理道具を手放してしまい、回収できなかったという事故があったそうです。
摩擦のある、粗い斜面を物体が落ちるとき、摩擦力と重力による滑り落とそうする力がつり合って合力が 0 になれば、落ちる速度が一定になります。合力が 0 であれば、力が働いていないのと同等なので慣性の法則が成り立ちます。
たとえば、雨滴は重力と空気による抵抗力がつり合っているので、等速で落ちていきます。

このおもしろい慣性の法則は、中学や高校で詳しく勉強しますね。これは物理の分野ですね。

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