運動方程式 ma=F - 力は速度ではなく加速度を決める
物体に働く力の合計と、その物体に生じる加速度を結ぶのが運動の第二法則です。
は質量、 は加速度、 は働く力の合計を表す。この式を運動方程式といいます。
読み方は 通りある。力がわかっているとき加速度を出す式であり、加速度がわかっているとき力を出す式でもある。
決まるのは速度ではなく加速度
力を加えると速くなる、という言い方は不正確です。力が決めているのは速度そのものではなく、速度の変わり方のほう。
同じ力を加え続ければ、速度は増え続ける。力をやめた瞬間に速度が に戻ることはない。
止まっている物体に力を加えた瞬間、速度はまだ です。加速度だけが先に立ち上がっている。
単位ニュートンはこの式で決まる
力の単位ニュートンは、運動方程式から定められています。
質量 の物体に の加速度を生じさせる力が です。力を独立に定義してから式を立てたのではなく、式のほうが単位を決めている。
日常で使うキログラム重とは別の量。 の物体に働く重力は になる。
例:力から加速度を出す
の物体に の力が働いています。
秒ごとに速さが ずつ増えていく。静止から始めれば、 秒後は です。
力を 倍にすれば加速度も 倍になります。同じ質量なら、力と加速度は比例する。

例:加速度から力を出す
の車を で加速させたい場合を考える。
これは駆動力の話で、走行の抵抗に打ち勝つぶんは別に要ります。抵抗が あるなら、必要な駆動力は になる。
運動方程式には合計の力だけが入る。個々の力ではない。
ベクトルの式である
運動方程式は、大きさだけでなく向きも含んだ式です。加速度は、合力と同じ向きに生じる。
速度と同じ向きとは限りません。ブレーキをかけた車では、速度が前向きで加速度は後ろ向きになる。
投げ上げたボールも同じです。上昇中でも加速度は下向きで、最高点でも下向きのまま。

物体が実際に動いている向き。過去に受けた力の積み重ねで決まっている
いま働いている合力の向き。速度とそろっていることもあれば、逆向きや直角のこともある
成分に分けて立てる
次元の問題では、座標軸を決めて軸ごとに式を立てます。ベクトルの等式は、成分ごとの等式に分かれる。
軸のとり方は自由です。未知数が減る向きに選ぶと計算が短くなる。
斜面の問題なら、斜面に沿った向きと斜面に垂直な向きを軸にとる。垂直方向の加速度が になり、式が 本減る。
例:なめらかな斜面を滑る
傾き 度の斜面に置いた物体が滑り出します。摩擦はないものとする。
斜面方向の力は重力の成分 だけです。垂直抗力は斜面に垂直なので、斜面方向には効かない。
なので になります。質量が消えるため、重い物体も軽い物体も同じ加速度で滑る。
垂直方向は でつり合っている。この は、摩擦を考えるときに効いてくる。
合力を先に求める
力が複数あるときは、まず合計を出してから代入します。 つずつ代入して足すのではない。
向きが逆の力は符号を変えて足す。同じ直線上にない力は、成分に分けてから軸ごとに足します。
合力が なら加速度も です。静止か等速直線運動が続き、第一法則と同じ結論になる。
例:逆向きの 2 力
の物体に、右へ 、左へ が働いています。右を正にとる。
加速度は右向きに です。 と を別々に代入して足しても同じ値になりますが、向きの扱いを間違えやすい。
質量は比例定数である
同じ力を加えたとき、加速度は質量に反比例する。質量が大きいほど加速しにくい。
この意味で、質量は慣性の大きさを測る量になる。物質の量というより、速度の変えにくさの度合いを表している。
同じ力なら加速度は半分になる。動かすのも止めるのも手こずるようになる
同じ質量なら加速度も 2 倍になる。力と加速度は比例する
加速度は変わらない。比が同じなら結果も同じになる
例:質量を変えて比べる
の力を、 と の物体に加えます。
質量が 倍で加速度は 分の になる。積 はどちらも で変わりません。
例:糸でつないだ 2 つの台車
質量 と の台車を糸でつなぎ、 のほうを で引きます。摩擦はないものとする。
全体を つの物体と見ると、糸の張力は内力になって消える。
張力を知りたいときは、後ろの台車だけに着目します。働く力は張力だけなので、式が 本で済む。
前の台車で確かめると、合力は で、 と一致する。

より正確な形
ニュートン自身は、力を運動量の変化で定義しました。
を代入し、 が一定なら が外へ出て に戻ります。 は、質量が変わらない場合の形にすぎない。
質量そのものが変わる場面では、こちらを使う必要がある。燃料を噴射しながら軽くなっていくロケットが代表例。
立て方の手順
問題を解く順序を決めておくと、力の数が増えても崩れない。
着目する物体を 1 つ決める
その物体に働く力をすべて書き出す
座標軸を決めて成分に分ける
軸ごとに ma = F を立てて解く
番目が最大の関門になる。相手の物体に働く力を混ぜたり、存在しない力を足したりすると、そこから先はすべて崩れる。
加速度から先へつなぐ
運動方程式が与えるのは加速度までです。速度や位置を知りたければ、そこから積分する。
加速度が一定なら、等加速度運動の式がそのまま使える。
加速度が変わる場合は、時間ごとに積分し直す必要がある。ばねの単振動が、その典型です。
成り立たなくなる範囲
光の速さに近づくと、この形では合わなくなります。原子や電子の世界でも、そのままでは使えない。
高校物理で扱う速さと大きさの範囲では、十分な精度で成り立つ。日常のほとんどの現象がその範囲に入る。
質量 の物体に、右へ と左へ の力が同時に働いています。加速度はいくらですか。
- 右へ
- 右へ
- 右へ
- 右へ
















合力は 20−12=8.0 N です。これを質量で割って 8.0÷4.0=2.0 m/s2 になります。大きいほうの力だけを使うと 5.0 m/s2 となり、これが引っかかりやすい誤答です。