反応（物理学）

ニュートンの古典力学における運動の法則の3番目の法則で説明されているように、すべての力は対になって作用し、ある物体が別の物体に力を及ぼすと、2番目の物体は最初の物体に等しく反対の反作用力を及ぼします。[ 1 ] [ 2 ] 3番目の法則は、より一般的には次のようにも述べられます。「すべての作用には、必ず等しい反作用がある。つまり、2つの物体が互いに及ぼす相互作用は常に等しく、反対の方向に向けられている。」[ 3 ] 2つの力のどちらが作用でどちらが反作用であるかは任意です。どちらか一方を作用と見なし、もう一方はそれに伴う反作用と見なすことができます。

例

地面との相互作用

何かが地面に力を加えると、地面は反対方向に同じ力で押し返します。生体力学などの応用物理学の特定の分野では、この地面からの力は「地面反力」と呼ばれ、物体が地面に及ぼす力は「作用」とみなされます。

人がジャンプしようとするとき、地面に対して下向きの力（「作用」）を加えます。同時に、地面はジャンプする人に対して上向きの力（「反作用」）を加えます。この上向きの力がジャンプする人の体重よりも大きい場合、上向きの加速が生じます。これらの力が地面に対して垂直である場合、それらは垂直力とも呼ばれます。

同様に、車両の車輪は回転しながら地面を後方に滑ろうとします。地面がそれほど滑りやすくない場合、この摩擦力は2つの力を生み出します。車輪が地面に対して後方に作用する「作用」と、地面が車輪に対して前方に作用する「反作用」です。この前方への力が車両を推進します。

重力

太陽と地球に似た2つの天体、つまり質量が極端に異なる天体。赤い+は重心を示す。

地球は、他の惑星とともに太陽の周りを回っています。太陽が、求心力として働く重力を及ぼし、地球を太陽に引き寄せているからです。そうでなければ、地球は宇宙に飛び去ってしまいます。太陽の引力を作用と考えると、地球は同時に、太陽に対して重力として反作用を及ぼしています。地球の引力は太陽と同じ大きさですが、方向が逆です。太陽の質量は地球の質量よりもはるかに大きいため、太陽は一般に地球の引力に反応しているようには見えませんが、実際にはアニメーションで示されているように反応しています (正確な縮尺ではありません)。2 つの物体の複合運動を正確に記述する方法は (現時点では他のすべての天体を無視します)、両方が複合システムの 重心(天文学では重心)の周りを公転していると言うことです。

支持質量

地球上のあらゆる質量は、地球の重力によって引き下げられます。この力は質量とも呼ばれます。これに対応する「反作用」が、質量が地球に及ぼす重力です。

物体が、例えばケーブルで吊るされていたり、下面にあったり、液体に浮いていたりして静止状態を維持している場合、上向きの支持力（それぞれ張力、垂直抗力、浮力）も作用します。この支持力は「等しく反対方向の」力です。これはニュートンの第三法則によるものではなく、物体が静止状態にあるため、力が釣り合っている必要があることから分かります。

この支持力には「反作用」も存在します。物体は支持ケーブルを引っ張ったり、支持面または液体を押し下げたりします。この場合、等しい大きさの力が4つ存在します。

  • F 1 . 地球から物体に働く重力（下向き）
  • F 2 . 地球上の物体による重力（上向き）
  • F 3 . 物体への支持による力（上向き）
  • F 4 . 支持部にかかる物体の力（下向き）

ニュートンの第三法則により、力 F 1と F 2は等しくなります。力 F 3と F 4も同様です。力 F 1と F 3が等しくなるのは、物体が平衡状態にあり、他の力が作用していない場合のみです。（これはニュートンの第三法則とは無関係です。）

バネ上の質量

質量がバネにぶら下がっている場合も、前述と同じ考察が適用されます。しかし、この系に外乱が加わると（例えば、質量が軽く上下に揺さぶられるなど）、質量は上下に振動し始めます。これらの加速（およびそれに続く減速）により、ニュートンの運動の第二法則から、観測された速度変化は正味の力によるものと結論付けられます。質量を引き下げる重力の力は、バネの上向きの弾性力とは等しくなくなります。前のセクションの用語で言えば、F 1と F 3は等しくなくなります。

しかし、ニュートンの第 3 法則により、 F 1 = F 2および F 3 = F 4であることは依然として真実です。

因果関係の誤解

「作用」と「反作用」という用語は、あたかも「作用」が原因で「反作用」が結果であるかのような、因果関係を誤解させる印象を与えます。そのため、2つ目の力が1つ目の力によって存在し、さらには1つ目の力より後に発生すると考えがちです。しかし、これは誤りです。2つの力は完全に同時であり、同じ理由で存在しているのです。[ 4 ]

力が人の意志によって引き起こされる場合（例えば、サッカー選手がボールを蹴る）、この意志的な原因はしばしば非対称的な解釈につながり、選手がボールに及ぼす力を「作用」、ボールが選手に及ぼす力を「反作用」とみなす。しかし、物理的には状況は対称的である。ボールと選手に及ぼす力はどちらも、両者の近さによって説明され、その結果、一対の接触力（最終的には電気的な反発力による）が生じる。この近さが選手の意志によって引き起こされるかどうかは、物理的分析とは無関係である。物理学的観点から言えば、「作用」と「反作用」というラベルは逆であっても構わない。[ 4 ]

「等しく反対」

物理の教育者がよく見る問題の一つは、生徒がニュートンの第3法則を、同じ物体に作用する「等しく反対方向の」力のペアに適用しがちだということである。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] これは間違いである。第3法則は、2つの異なる物体に作用する力について言及している。対照的に、テーブルの上に置かれた本は、（地球から及ぼされる）下向きの重力と、テーブルからの上向きの垂直力を受けており、両方の力が同じ本に作用している。本は加速していないので、ニュートンの第2法則によれば、これらの力は正確につり合っているはずである。したがって、それらは「等しく反対方向」であるが、同じ物体に作用しているので、ニュートンの第3法則の意味での作用反作用の力ではない。ニュートンの第3法則の意味での実際の作用反作用の力は、本の重さ（本に対する地球の引力）と、本が地球に及ぼす上向きの重力である。本はテーブルを押し下げ、テーブルは本を押し上げます。さらに、本に作用する力は常に同じ強さとは限りません。本が第三の力によって押し下げられたり、テーブルが傾いたり、テーブルと本のシステムが加速するエレベーターの中にあったりすると、力は異なります。同一の物体に作用する力がいくつあっても、すべての力の和を考えることで対応できます。

この問題の原因として考えられるのは、第三法則がしばしば「すべての作用には、等しく反対の反作用がある」[ 8 ]という簡略化された形で述べられていることである。しかし、これらの力は2つの異なる物体に作用するという詳細は示されていない。さらに、物体の重さと法線力の間には因果関係がある。もし物体に重さがなければ、テーブルからの支持力は受けず、重さによって支持力の強さが決まる。この因果関係は第三法則によるものではなく、システム内の他の物理的関係によるものである。

求心力と遠心力

もう一つのよくある間違いは、「物体が受ける遠心力は、その物体にかかる向心力に対する反作用である」と述べることである。[ 9 ] [ 10 ]

物体が向心力と等しく反対方向の遠心力の両方を同時に受ける場合、合力は消滅し、物体は円運動をすることはできません。遠心力は、計算や測定が非慣性系で行われた場合にのみ現れる力であることを強調するために、架空の力または疑似力と呼ばれることもあります。[ 11 ]

参照

参考文献

  1. ^テイラー、ジョン・R. (2005).古典力学. 大学科学図書. pp.  17– 18. ISBN 9781891389221。
  2. ^シャピロ、イリヤ L.;デ・ベレド＝ペイショト、ギリェルメ（2013）。ニュートン力学の講義ノート: 現代の概念からの教訓。シュプリンガーのサイエンス＆ビジネスメディア。 p. 116.ISBN​ 978-1461478256. 2016年9月28日閲覧。
  3. ^この第 3 法則の翻訳とそれに続く解説は、 1729 年翻訳の第 1 巻の 20 ページの「プリンキピア」。
  4. ^ a b Brown, David (1989). 「学生の力の概念：ニュートンの第三法則を理解することの重要性」. Phys. Educ . 24 (6): 353– 358. Bibcode : 1989PhyEd..24..353B . doi : 10.1088/0031-9120/24/6/007 . S2CID 250771986.たとえ一方の物体が他方の物体よりも「活動的」で、相互作用を開始したように見えるとしても（例：ボウリングのボールがピンに当たる）、物体Aが物体Bに及ぼす力は、常に物体Bが物体Aに及ぼす力と同時に作用します。 
  5. ^コリン・テリーとジョージ・ジョーンズ (1986). 「代替枠組み：ニュートンの第三法則と概念の変化」.ヨーロッパ科学教育ジャーナル. 8 (3): 291– 298. Bibcode : 1986IJSEd...8..291T . doi : 10.1080/0140528860080305 .この報告書は、ニュートンの第三法則を理解する上で子どもたちが経験する困難のいくつかに焦点を当てています。
  6. ^ Cornelis Hellingman (1992). 「ニュートンの第三法則再考」. Physics Education . 27 (2): 112– 115. Bibcode : 1992PhyEd..27..112H . doi : 10.1088/0031-9120/27/2/011 . S2CID 250891975. …次のような質問が書面で寄せられました。ニュートンの第三法則は「作用」と「反作用」について述べています。テーブルの上にワインのボトルが置かれていると想像してください。ボトルを引き寄せる重力の力を作用と呼ぶとしたら、ニュートンの第三法則によれば、この力に対する反作用はどのような力でしょうか？最も多く挙げられた答えは、「テーブルがボトルに及ぼす垂直抗力」でした。 
  7. ^ French, Anthony (1971), Newtonian Mechanics、p. 314、…ニュートンの第三法則、作用と反作用は等しく反対である
  8. ^ホール、ナンシー。「ニュートンの第三法則の空気力学への応用」 NASA。 2018年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。自然界におけるあらゆる作用（力）には、等しく反対方向の反作用が存在する。
  9. ^アデア、アーロン（2013）、ニュートン力学に関する学生の誤解：指導の変更による起源と解決策、オハイオ州立大学、Bibcode：2013PhDT.......476A、これはニュートンによって攻撃されました。彼は、惑星の向心力（重力相互作用による）と遠心力を一致させ、彼の運動の第3法則に基づく力のバランスが取れるようにしようとしました。
  10. ^エリック・エイトン（1995）、フランク・スウェッツ他編『天体力学の歴史と応用数学教育におけるその有用性』『巨匠から学ぶ』アメリカ数学会、ISBN 978-08838570381711 年に書かれたライプニッツへの攻撃の中で、ニュートンは、運動の第 3 法則により、遠心力は常に重力の力と等しく、その方向は逆であると述べています。
  11. ^ Singh, Chandralekha (2009)、「求心加速度: 忘れられたり誤解されたりすることが多い」、物理教育、44 (5): 464– 468、arXiv : 1602.06361、Bibcode : 2009PhyEd..44..464S、doi : 10.1088/0031-9120/44/5/001、S2CID 118701050、もう1つの困難は、学生が遠心力などの疑似力を、慣性基準系で作用する実際の力であるかのように考えてしまうことが多いことです。 

参考文献

  • ファインマン、RP、レイトン＆サンズ（1970）『ファインマン物理学講義』第1巻、アディソン・ウェスリー・ロングマン、ISBN 0-201-02115-3。
  • Resnick, R. および D. Halliday (1966) Physics, Part 1、John Wiley & Sons、ニューヨーク、646 ページ + 付録。
  • ウォーレン、JW（1965）物理学の教授、バターワース、ロンドン、130頁。
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