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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。

速度の向き

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

加速度の向き

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。 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。

質量を 2 倍にする

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

力を 2 倍にする

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

両方 2 倍にする

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、 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 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
__RESULT__

合力は です。これを質量で割って になります。大きいほうの力だけを使うと となり、これが引っかかりやすい誤答です。

力が決めているのは速度そのものではなく、速度の変わり方です。投げ上げたボールは、上昇中も最高点も下降中も加速度が下を向いたまま。$1\ \mathrm{N}$ は $1\ \mathrm{kg}$ を $1\ \mathrm{m/s^2}$ で加速させる力として、この式から定められています。合力を先に出してから代入するのが手順で、$2$ 次元では軸ごとに分けて立てる。なめらかな斜面では $a = g\sin\theta$ になり、質量が消えます。糸でつないだ $2$ 台車は、全体で見れば張力が消え、後ろだけ見れば張力が出る。質量が変わる場合に $F = \dfrac{dp}{dt}$ が要る理由まで。