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【物理基礎】ニュートンの運動の3法則

物理学で最も有名な科学者といえばアイザック・ニュートン。ニュートンの運動の3法則で有名です。今回はここをくわしく学習します。

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運動の第1法則「慣性の法則」

超簡単にいうと、「力を加えなかったら、物体はその運動を続けるよ。」という法則です。当たり前ですが。これをもう少し物理っぽくいうとこうなります。

運動の第1法則「慣性の法則」
物体に外から力を加えない場合、もしくは、物体に外から力がはたらいていても力がつり合っている場合(合力が0の場合)、静止している物体は静止を続け、運動している物体は等速直線運動を続けようとする。

また、物体が持つこのような性質を慣性といいます。

この後、運動の第2法則「運動の法則」を説明しますが、そこで運動方程式ma=Fという式が登場します。mは質量、aは加速度、Fは力になりますが、F=0の場合、加速度が生じないので静止していれば静止をしたままになるし、運動してたら速さが変化しないことを意味しています。

身近な慣性の例「電車の急発進・急停車」

慣性 急発進

電車やバスが急発進すると、中に乗っている乗客はどうなりますか。からだが進行方向と逆方向に傾きますよね。電車やバスには力がはたらき加速していきますが、乗客には力がはたらいていないのでその場に静止し続けようとしたからです。

慣性 急停車

反対に、電車やバスが急停車すると、今度は体が進行方向と同じ向きに傾きますよね。電車にはブレーキにより力がはたらき減速しますがこれは身近な慣性の例になります。

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運動の第2法則「運動の法則」

運動の第2法則を簡単に説明すると、「力を加えると、力の向きに加速するよ。」という法則です。さらに、「力を大きくすれば加速の仕方も大きくなり、質量が大きければ加速しにくくなる。」ということも説明しています。これをもう少し物理っぽくいうとこうなります。

運動の第2法則「運動の法則」
物体に外から力がはたらくと、物体は力の向きに加速度を生じる。その加速度の大きさは、力の大きさに比例し、物体の質量に反比例する。

運動方程式

これを式で表すと、次のの式になります。運動方程式といって非常に重要な公式になります。

ma=F

m:質量[kg] a:加速度[m/s²] F:力(合力)[N]

ここで扱う力は合力になります。物体にはたらいている力全てを考え、その合力を使います。また、次のように、この公式を読むことができます。「質量がある物体に加速度を生じさせるもの、それは力である。」

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運動の第3法則「作用・反作用の法則」

最後は、運動の第3法則である作用・反作用の法則です。簡単にいうと、「力は必ずペアではたらくよ。」という法則です。何かしらの力がはたらくとき、単独で働くことはなく、それと対になるもう一つの力が必ずあるということを意味します。これをもう少し物理っぽくいうとこうなります。

運動の第3法則「作用・反作用の法則」
物体Aが物体Bに力(作用)を及ぼすと、物体Bは物体Aに、同じ作用線上で大きさが等しく逆向きの力(反作用)を及ぼす。

作用・反作用の2力は、それぞれ異なる相手の物体にはたらくことも重要です。

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