力と運動

物理基礎の最初の単元「運動の表し方」では、速さと加速度を学びます。加速度は、1 秒あたりに速度がどれだけ変わるかを表す量です。授業では、台車の動きを記録タイマーやセンサー、動画で記録し、速さと時間のグラフにまとめます。

続く「運動の法則」の 1 つ目が、慣性の法則です。力が働かなければ、止まっている物は止まり続け、動いている物は同じ速さでまっすぐ進み続けます。急ブレーキで体が前に出るのは、前へ押されたからではありません。車が減速しても、体はそれまでの速さで進み続けようとするからです。

警察庁によると、時速 60 km の車が壁などにぶつかると、高さ 14 m のビルから落ちるのと同じ衝撃を受けます。物理基礎の落下運動の式で確かめると、14 m から落ちた物は、地面に着く直前に時速約 60 km になります。シートベルトは、進み続けようとする体を、車と一緒に止めるための道具です。

警察庁の Web サイト(2026 年 10 月時点)は、後部座席のシートベルトの効果も示しています。着用しないときの致死率は、高速道路で着用時の約 13.9 倍です。学習指導要領の解説は、「動いている物には、進む向きに力が働き続けている」という考えを、生徒がもちやすい誤りに挙げています。力が働かなくても、物は動き続けるのです。

運動の法則の 2 つ目は、運動方程式 ma = F です。物体に力 F を加えると、質量 m に反比例した加速度 a が生じます。同じ力で押しても、空の台車はすぐ速くなり、おもりを積んだ台車はなかなか速くなりません。質量は、物体の「加速しにくさ」を表す量でもあります。

この式は宇宙でも活躍します。国際宇宙ステーション(ISS)の中は無重量の状態なので、体重計に乗っても目盛りは動きません。NASA によると、ISS の装置 SLAMMD は、宇宙飛行士に決まった大きさの力を加えます。そのときの加速度から、体の質量を計算するのです。m = F ÷ a という高校の式そのものです。

3 つ目は作用反作用の法則です。A が B を押すと、B も A を、同じ大きさで逆向きの力で押し返します。ロケットは、燃料を燃やしたガスを後ろへ勢いよく押し出し、その反作用でガスから前へ押されて進みます。押し返す空気のない宇宙でも加速できるのは、このためです。

解説は、「重い物が軽い物に及ぼす力の方が大きい」という考えも、よくある誤りに挙げています。大型トラックと軽自動車がぶつかっても、互いに及ぼし合う力の大きさは同じです。違うのは加速度で、質量の小さい軽自動車の方が、速さが大きく変わります。

物理の「円運動」では、円を描き続けるには中心向きの力(向心力)が必要だと学びます。車がカーブを曲がると、体が外へ押しつけられるように感じます。これが遠心力です。ただし外から見ると、体は慣性でまっすぐ進もうとしていて、ドアや座席が体を内側へ押して曲げています。遠心力は、回る側から見たときに現れる見かけの力(慣性力)です。

物理の「万有引力」では、地上の物を落とす重力と、月を地球の周りに引き留める力が同じものだと学びます。ニュートンの身近にいたコンデュイットの記録によると、1666 年、ニュートンはリンカンシャーの母のもとにいました。庭で考えごとをしていたとき、リンゴを落とす重力が月まで届いているのではと思いついたといいます。

月までの距離は、地球の半径の約 60 倍です。重力が距離の 2 乗に反比例するなら、月の位置では地上の 3,600 分の 1 になるはずです。月の公転の周期から求めた月の加速度は、この予想とよく合います。月も地球に向かって落ち続けていますが、横向きの速さがあるので、地球の周りを回り続けるのです。

同じ法則で、人工衛星の軌道も計算できます。気象庁によると、静止気象衛星ひまわりは、赤道の上空約 35,800 km を、地球の自転と同じ周期で回っています。地上からは止まって見えるので、いつも同じ範囲の雲を観測し続けられます。