質量がなくても運動量は存在するのか？…エンジンも燃料もいっさい不要の夢の宇宙船、光を使って宇宙船を動かす「ソーラーセイル」
『学び直し高校物理』は、高校物理の教科書に登場するテーマを取り上げ、物理法則の「理由」を考える読み物形式の書籍。
本記事では運動量保存則に焦点を当て、実験を通してその原理を理解する方法を紹介しています。
実験では大きなボールと小さなボールを使用し、衝突時の力積や加速度の影響を観察することで、運動量保存則を体験的に学ぶことができます。
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、〈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」〉にひきつづき、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。
高校物理の教科書や副教材には、運動量保存則の原理を利用した実験(※1)がしばしば登場する。試しにひとつ紹介してみよう。
用意するのは、大小それぞれ1個、合計2個のボール。たとえば、大きなボールはバスケットボールやバレーボール、小さなボールは軟式あるいは硬式のテニスボールなどがよいだろう。
まず、大きなボールの上に小さなボールを載せる(この際、小さなボールの据わりをよくするリングなどを挟むとうまくいく)。この状態で手を離してボールを真下に落とすと、小さなボールが驚くほど高く跳ね上がる。
大きなボールと小さなボールを単独で落とした場合は、それぞれ元の位置より上に跳ね上がることはけっしてないので非常に不思議な感じがする。
これは衝突時の力積は同じだけど、加速度に換算すると、小さいボールが受ける影響はずっと大きいという原理を用いている。
一連の運動をもう少し細かく見てみよう。まず大小2個のボールを連結した状態で落下させると、まず大きいボールが床にぶつかって跳ね返される。この際、まだ落下中の(下向きの速度を持っている)小さいほうのボールと正面衝突する。
すると、小さいボールが非常に大きな加速度を得るので、もともとこの物体を落とした位置よりはるか上まで跳ね上がるというわけだ。
うまくいくと、小さいボールは、4m以上跳ね上がるので、屋外の周囲に人がいない場所で行うことをオススメする。
(※1)ここで紹介している実験は、国立大学55工学系学部HPにある「おもしろ科学実験室」コーナーで、動画付きで解説されているので、興味のある方はぜひご覧いただきたい
(https://www.mirai-kougaku.jp/laboratory/pages/160303.php)
