物理物理学・力学理科

「重力」「引力」について現役塾講師がサクッと5分でわかりやすく解説!

よお、桜木建二だ。みんなは重力や引力と聞いてはっきり違いを説明できたり、何を表しているのか知っているだろうか?

なんとなく地球が関係しているんだろうみたいななにか漠然としたイメージはあるけど、しっかりわかっているかというと微妙な人は多いと思う。重力は力学の問題を解いているとほぼ必ずといっていいほど出てきたり、万有引力だけに着目した問題があったり今回のテーマは高校の物理をマスターするうえで避けては通れない道なんだ。というわけで今回は重力、引力について詳しくみていこう。

ライターの四月一日そうと一緒にみていくぞ!

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/四月一日そう

現役の大学生ライター。大学では工学部に所属しており、電気系を中心に自然法則や、電気のエネルギーについて学んでいる。アルバイトは塾講師をしており、日々高校生たちに数学や物理の楽しさを伝えている。今回の重力についての考察などは高校の時の自由課題の内容で取り扱ったこともありかなり好きな分野。

そもそも重力、引力とは!?

image by iStockphoto

それではそもそも重力や引力とはなんなのかということを一緒にみていきましょう。よく重力と引力というのは混同されがちなので注意しましょうね!

まず、引力というのは別の表現で万有引力とも呼ばれる力を表しています。これは地球上にある質量を持つ全ての物質にかかる力で地球に向かう向きの力です。

万有引力を発見したのは、かの有名な科学者アイザック・ニュートンですね!リンゴが木から落ちるのをみてひらめいたといわれていますが諸説あるようです。

それでは重力とは一体何を指すのでしょうか。重力というのは万有引力と遠心力の合力なのです。どういう事かちょっと詳しく説明したいと思います。

例えば遊園地にあるコーヒーカップというアトラクションがありますよね。あれでぐるぐる回っているとカップの外側に引っ張られる力を感じませんか?それが遠心力の正体なのです。

地球でも全く同じことが起こっていて地球の自転によって遠心力が発生しています。これは地球から離れようとする力なので万有引力とは逆向きに働きますね。

ただ、遠心力は万有引力に比べてるととても小さい力なので単に万有引力のことを重力とさしている場合もあります。

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もしこの世界に重力がなかったらどうなるだろうか?宇宙にいるみたいで楽しそう!と思うかもしれない。しかし空気を地球にとどめておけないので世界が真空になってしまう。それにさっきの話にもあった遠心力が働くのでなにもかも宇宙に吹き飛ばされてなくなってしまうという大変なことが起きるんだ!

円運動

円運動

image by Study-Z編集部

万有引力と重力の関係は上で説明した通りです。地球というのは太陽の周りをまわる公転と地球自身がスピンする自転があります。この円運動によって遠心力が生まれるわけですね。次はこの遠心力について詳しくみていこうと思います。

遠心力というのは一緒に回転している人にだけ働く見かけの力です。どういうことかというと物体の円運動というのは円の中心方向に向かって向心力という力が働いています。この力が働くことによって物体は動いているのです。しかし一緒に円運動をしている人にとってはその物体は動いていないようにみえますよね?向心力という力は確かに働いているのに物体が動かないというのはつじつまが合いません。

そこで登場するのが見かけの力、遠心力です。遠心力の大きさは向心力と同じで向きは逆向きに取ります。そうすると、物体と一緒に円運動している人からは向心力と遠心力が打ち消しあって物体が動いていないように見えるわけですね。向心力を求める式は画像の通りです。mが物体の質量、rが円の半径、ωが角速度、vが運動の速さを表しています。

地球の円運動はみんな地球にいるわけですから遠心力はかかっていますね。実は地球の場所によって遠心力の大きさが違うんです!それは画像の式を見てもらうとわかりますが円の半径が小さいほど遠心力が大きくなるのです。よって極といわれる自転軸に近いほど遠心力は大きくなります。しかし万有引力に比べると小さいので体で実感できることがないのがちょっと残念ですね。

問題を解く時に出てくる重力加速度

さて、次は重力加速度について考えていきます。重力加速度という言葉は物理の問題を解いたことがある人なら一度は目にしたことがあるんじゃないんでしょうか?ただ、完全に理解していなくても問題は解けてしまうのであまり解説されないことが多いですがここで一度解説しておきますね。そこまで複雑なものでもないのでサクッと説明していきます。

重力加速度というのは重力がかかることによって発生する加速度のことですね。なんだかそのままなような気もしますがもう少し詳しくみていきましょう。加速度というのは速度の変化量のことです。具体的には1秒で物体がどれだけ速くなったかを表します。地球の重力加速度は9.8[m/s^2]なので物体を自由落下させると1秒間に9.8[m/s]だけ加速していくということですね!

この9.8という数字は地球上の話であってほかの惑星では違った大きさになります。この違いははそもそも万有引力の大きさが違うことに由来してるのです。万有引力というのは惑星の大きさによって決まっています。例えば月は地球よりも小さいですよね?具体的には6分の1ほどのサイズです。よって重力加速度も6分の1の1.6[m/s^2]程度になります。

質量と重さの違い

みなさん、いきなりですが質量と重さの違いについて説明できるでしょうか?一緒じゃないの?と思われた方もいるかもしれません。実は厳密にはさしているものが違うのです。なぜここでこの話題を出したかというと質量と重さの違いには重力が大きく関わっているからなんですね。それでは質量と重さの違いについて一緒に見ていきましょう!

それでは質量からみていきましょう!質量とは物質が持っている1つの値でこれは不変なものです。質量とはなにか、というのを考えたら説明ができません。物理学の根本の量なのでこれ以上掘り下げることはできないのですね。

それでは重さとは何でしょう。質量は不変だという話がありました。実は重さはそうではないのです。重さというのは力を表しています。どのような力なのかというと、それは万有引力です!重さというのは万有引力の大きさを表しています。

ですから、質量は月でも変わりませんが重さは変化するのです!

\次のページで「わからないこともある重力」を解説!/

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