運転中、後ろに10トントラックがついた時に「恐怖感や圧迫感」を感じるのはなぜ？

物理に挫折したあなたに――。

読み物形式で、納得！　感動！　興奮！　あきらめるのはまだ早い。

　大好評につき5刷となった『学び直し高校物理』では、高校物理の教科書に登場するお馴染みのテーマを題材に、物理法則が導き出された「理由」を考えていきます。

　本記事では力学編から、運動量保存則についてくわしくみていきます。

　※本記事は田口善弘『学び直し高校物理　挫折者のための超入門』から抜粋・編集したものです。

　乗用車に乗って高速道路を運転しているとき、後ろに大きな10トントラックがぴったりとついていたら、なんとなく恐怖感や圧迫感を覚えないだろうか。たとえトラックが法定速度を守り、安全運転をしていたとしても、その恐怖感や圧迫感は消えない。後ろについているのが、乗用車やバイクだったら、そこまで怖くは感じないのに……。

　実は物理学的にみて、この恐怖感はきわめて理にかなったものだ。実際、普通自動車どうしの事故と、10トントラックと普通自動車との事故では、被害の大きさがまるで違うのだ。

　しかし、普通自動車だって人間をはねたら殺してしまう程度には危険な代物だ。いくら大きいと言っても同じ車にすぎない大型トラックがからむと、なぜ被害がそんなに違うのか。

　車の損害には差があるにしても、乗っている生身の人間の損害もそんなに違うものだろうか。仮にそこまで大差があるとしたらなぜなのか。実は、こうした疑問は「運動量保存則」を知っていれば、スンナリと解決するのだ。

　ふだんあまり使われることはないが、運動の激しさを示す「運動量」という物理量がある。運動量は、質量と速度の積と定義される。高校の物理の教科書では、外から力が及ばない「物体系」(「系」とは注目する物体のグループ)では、“質量と速度の積で定義される運動量は保存する”と習う。世に有名な「運動量保存の法則」だ。式にすると、

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運動量=質量×速度=一定

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　である。運動量は質量と速度をかけたものだ。質量が保存する(普通自動車もトラックも質量は変わらない)以上、速度も保存する。つまり、「速度=一定」ということでもある。これは「止まっているものはずっと止まっている、動いているものは動き続ける」ということを意味するので、運動量保存則は、「慣性の法則」を含んでいることになる。

　一方、運動量保存則は、外から力が働いているときには成り立たない(ただし、内部で相互作用的に力が働いている分には問題ない)。その場合には運動量保存則は、

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運動量(=質量×速度)の変化分=力×(力がかかっている時間)

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　という式になる。ここで右辺の、力×(力がかかっている時間)は「力積」と呼ばれている。ちなみに式の両辺を(力がかかっている時間)で割ると、

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(質量×速度)の変化分/(力がかかっている時間)=力

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　という式になる。ここでやっぱり質量は変わらないことを思い出すと、

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質量×(速度の変化分/力がかかっている時間)=力

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　になる。「速度の変化分」を「時間」で割ったものは、加速度にほかならないから、これは、

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質量×加速度=力

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　という式(運動方程式)も、運動量保存則は含んでいる。このように運動量保存則は「これだけ理解していれば、物理学で学んだいろんなことが芋づる式に理解できるよ」という重要な法則なのだが、有名なエネルギー保存則よりずいぶんと影が薄い。

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　さらに【つづき】〈車は急に止まれないのはなぜ？　…もし大型車と小型車で衝突事故が起こった場合、小型車の運転手が受ける「大きすぎる衝撃」〉では、車が急に止まれない理由を運動量保存則からくわしくみていきます。