物理物理学・力学理科

重いものは速く落ちる?「落体の法則」を理系ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木健二だ。今回は落体の法則について考えてみよう。

物理は力学から学習を始めるが、科学の歴史を見直しても力学的な事象から考察が始まっているな。また、力学の発展にはとてつもない時間がかかっていて、アリストテレスからニュートンまで2000年近い時が必要だったんだ。それを、高校物理の教科書等ではそれこそ「あっ!」という間に駆け抜けるわけだから「????」が頭の中を駆け巡ってもしゃーねえわな。

特に重さだの質量だのなんてのは概念が確立したのはかなり後のことだ。アリストテレスの「重いものが速く落ちる」もそうだな。
これについては現代でも「重いものが速く落ちる」と信じている人がけっこういるんじゃねえか?

今回はそんな落体の法則について理系ライターのタッケさんと一緒に考えていくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

タッケ

ライター/タッケ

物理学全般に興味をもつ理系ライター。理学の博士号を持つ。専門は物性物理関係。高校で物理を教えていたという一面も持つ。今回は落体の法則について考えてみた。

小学校1~2年生の頃、「重いものも軽いものも同時に落ちる」と本に書いてあるのを見て衝撃を受けたことがあります。

絶対嘘だと思った私は、重い石と軽い石をお寺の鐘つき堂から落として実験したのです。結果は、「ほぼ同時に落ちる」でした。

私の中の世界観が少し変わったことを、石が地面に当たるカチンと言う音とともに昨日の事のように覚えています。

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アリストテレスかく語りき

image by iStockphoto

紀元前・古代ギリシヤの偉大なる哲学者アリストテレス(前384 – 前322)はその著書「自然学」の中で落体の運動について言及しています。

すなわち、
・「石が落下するのは、石が本来属すべき地球に帰ろうとしている」
・落下につれて石がその速さを増すのは「あたかも、われわれが外出先から家に帰り着く頃には速足になるかのごとくである」
等です。

さらに、アリストテレスは「重いものは軽いものよりも速く落下する」とも述べています。
落体の速さはその重さに比例する。つまり、重さが2倍の物体は2倍の速さで落ちるというわけです。

石が羽毛よりも速く落下するのは石が地球の一部であるから帰ろうとする速さも大きくなり、炎が立ち上るのは炎が属する天に帰ろうとするため、と説明されます。

このアリストテレスの学説はなんとその後2000年近くも信じられていたのです。

重いものが速く落ちるのか

重いものが速く落ちるのか

image by Study-Z編集部

ところが、これに異を唱えるものが現れました。
イタリアのベネデッティ(1530-1590)は次のような思考実験により、アリストテレスの「重いものが速く落ちる」ことに疑問を呈しています。

2つの鉄球を考える。一つは他方よりも重く、片方は軽いとします。

さて、アリストテレスによれば、それぞれを落下させてみると重い鉄球のほうが速く落ちるはずです。

では次に、重い鉄球と軽い鉄球を軽い糸で結び付けて落としてみます。
このときの落下はどのようになるでしょうか?

image by Study-Z編集部

1.  二つの鉄球を大きな一つの鉄球と考えれば重くなるため、さらに速く落ちる
2.  軽い鉄球と重い鉄球に分けて考える。重い鉄球は、遅く落ちる軽い鉄球がブレーキとなるため全体としては遅く落ちる。

さて、あなたはどちらが正解だと考えるでしょうか?
ちょっと考えて見ましょう。
自分で考えることが大切ですよ。

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うーん

こういうように理想的な状況を想定して考える実験を「思考実験」と呼ぶんだ。

思考実験はその実験が物理的に矛盾がなければ、技術的にちょっと難しくてもかまわない。そうすることで物事の本質が浮き彫りになってくることも多いんだ。

この手法は、現代物理学でも重要な手法で、かのアインシュタインも取り入れていたんだよ。

大いなる矛盾

image by iStockphoto

どうでしょうか、考えがまとまりましたか?
アリストテレス的な考え方に立てば、これらの考え方はどちらも成り立つはずですが、これは矛盾です。

よって設問の答えはどちらも成り立ちませんね。

ベネデッティはこの矛盾に気がつき、これを解決するために重さの異なる鉄球はどちらも同じ速さで落ちるのではないか?と考えたのです。
(ちなみに、皆さんご存知のように羽毛などが遅く落ちるのは空気抵抗によるものですね)

つまり、「重さによらず同じ速さで落ちる」とすれば、鉄球をひとつひとつ落としても糸で結んで落としても、どちらの場合でも矛盾なく説明できますね。

さらにオランダのステヴィン(1548-1620)は実際に、重さの異なる鉛玉を落下させる実験を行い、やはりアリストテレスの理論に異を唱えています。

そして、さらにガリレオ(1564-1642)により詳細な実験と考察が行われ、アリストテレス的な考えが間違いであったと確かめられたのです。

ちなみに有名なピサの斜塔での落下実験は、後世の創作ではないかといわれています。

ガリレオは従来のアリストテレス的な考え方や宗教的な考え方に縛られることなく、自らの思考と実験によって自然現象を数学的な手法を用いて理解しようと努めました。このため現代でも、「科学の父」と畏敬の念をこめて呼ばれているのです。

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