地学大気・海洋流体力学物理物理学・力学理科

5分でわかる雨粒の速度!空気抵抗の影響とは?公式の導出方法を現役理系学生ライターが詳しく解説!

よぉ、桜木建二だ。今回は「雨粒の速度」について解説していくぞ。

子どもに「雨の落ちてくるスピードはどのくらい速いの?」と尋ねられて、すぐに答えることのできる大人はどの程度いるだろうか。おそらく少ない人数になってしまうだろうな。このように身近な現象でありながら、メカニズムを理解できていないケースは多いはずだ。だが、この記事を読めば、このような問いに自信を持って答えられるようになるぞ。ぜひこの機会に、「雨粒の速度」についての理解を深めてくれ。

塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。

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。

ライター/通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

雨粒の力学

image by iStockphoto

私のたちとって、雨が降るという現象は非常に身近です。ですが、その雨粒が落下しているときの速度について考えたことがある方は一体どれほどいるでしょうか?今回の記事では、わかりそうでわからない雨粒の力学について考えます。最後まで記事を読むと、雨粒の落下を計算で推定することができるようになりますよ。

最初のチャプターでは、中学や高校で学習する落体の運動法則と雨粒の落体運動の間に、どのような相違点が存在するのかを考えることしましょう。特に、物理学の教科書に載っている一般的な落体と雨粒では、作用する力の数が異なっているという点が重要になりますよ。それでは早速、解説をはじめます。

一般的な落体と雨粒の違い

物理学の教科書で説明される一般的な落体には、原則として重力のみが作用します。重力は地球が物体を引き寄せる力のことです。重力が存在することで、物体は地面の方向へと落下していますよね。学校の理科の授業では、ここまでの説明がメインになります。

一方、雨粒の落下のように実世界で見られる現象はこれほど単純ではありません。なぜなら、雨粒は大気の中を通り、空高くから地面に到達するからです。大気は空気の集まりですから、その中に存在する雨粒には空気抵抗が存在しています。つまり、雨粒に作用する力には重力に加えて、空気抵抗が存在するのです

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空気抵抗を考慮した力学は非常に難しいが、それは飛行機や新幹線などを設計するときに無視できない要素になるぞ。

終端速度の概念

雨粒の落下速度を考える上で重要になる概念は「終端速度」です。雨粒に作用する空気抵抗は、速度の増大に伴って大きくなります。それゆえ、雨粒の速度が大きくなると、加速度が鈍化することになるのです

そして、空気抵抗の大きさと重力の大きさがつりあうと、雨粒に作用する力は正味でゼロになります。このとき、雨粒の加速は止まり、等速直線運動に移行しますよ。そして、最終的に等速直線運動になったときの速度を終端速度と呼んでいるのです。

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終端速度は大気中だけでなく、水中においても存在するぞ。つまり、何らかの流体が運動する物体の周りを取り巻いているかどうかが重要だ。

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