「等速直線運動」と「運動量保存の法則」を理系ライターが丁寧にわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は等速直線運動と運動量保存について解説していくぞ。

等速直線運動は考えられる最も簡単な運動だ。そして運動量保存は力学で最も基本的な法則の1つだ。等速直線運動と運動量保存の法則は密接に関連している。同時に理解してしまうのがコツだ。

今回は物理学科出身のライター・トオルさんと解説していくぞ。

この記事の目次

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／トオル

物理学科出身のライター。広く科学一般に興味を持つ。初学者でも理解できる記事を目指している。

等速直線運動について

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等速直線運動とは読んで字のごとく、ずっと同じ速度でただまっすぐに進む運動のことです。考えられる限り最も簡単な運動なので、運動を初めて勉強するときはまずこの運動からはじめるのが一般的だと思います。実際には完全な等速直線運動は難しいのですが、カーリングなど摩擦の低い状態での平面運動は等速直線運動に近いものです。

準備

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初学者のためにこの記事で使う記号とニュートンの運動方程式をのせておきます。一番上の式がニュートンの運動方程式で

　　　　　　　　　力＝質量×加速度＝質量×速度の時間微分=質量×位置の2階の時間微分

という意味です。力学では何事もこの式がスタートになります。この式は微分方程式ですが、微積分という数学についてよく知らない人は、そういう計算方法があることだけでも知っておいてください。その他の記号については、物理学で一般的につかわれる記号ですので慣れておくと何かと便利です。

等速直線運動の式

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これが等速直線運動の式になります。括弧の中が正しく微分で表した式です。大学レベルからはカッコ内の式を使いますが、日本の高校では微分を使わない式が一般的だと思います。上の式から下の式へ変形するのが積分で、下の式から上の式へ変形するのが微分です。本格的に物理学を学問として学ぼうとする方は、微積分の表記に慣れてください。念のために触れておきますが、初速度は初めの速度、初期位置は初めの位置という意味になります。

それぞれの式の意味

まずは真ん中の式を見てみましょう。真ん中の式の意味は速度は、ずっと初めの速度のままという意味であり、これは等速直線運動の定義そのものです。また、加速度は速度の変化を時間で割ったものであることを思い出せば、速度が一定なのですから加速度はゼロ、よって一番上の式がでてきます。一番下の式は進んだ位置は初めの位置プラス速度かける時間なので、小学校で習う距離の定義そのものです。質量は力がゼロなので消えてしまっていることに注意してください。等速直線運動の速度と位置に関して質量はまったく関係なくなります。