【初心者向け】ニュートン力学の簡単解説

物理学

物理学に興味があるけど、よく知らないという方向けに
詳しくはないのですが物理学好きな私が、コメントを交えながら面白い物理学を簡単に解説します。

今回はアイザック・ニュートンによる「ニュートン力学」についてです。

物理学の基礎ともいわれるニュートン力学は、現代でも機能する欠かせないものとなっています。

アイザック・ニュートン( Isaac Newton )とは

基本情報

イングランドのウールスソープ出身の学者( 専門は数学や物理学、天文学など )

1642年12月25日に未熟児として生まれる

1661年にウールスソープを離れ、ケンブリッジ大学に入学する。

大学卒業後は故郷に帰るが、1667年にケンブリッジ大学に戻り、トリニティカレッジ( ケンブリッジ大学の教育機関のひとつ )の研究員となる。

1669年にケンブリッジ大学の教授職のひとつである「ルーカス教授職」に選任される

1703年にイギリスの科学学会である王立協会に専任される

ニュートンといえば有名なのが「木から落ちるりんご」を見て万有引力を思いつくエピソードだが、実話かどうかは定かではない。






代表的な著作

1687年刊行「自然哲学の数学的諸原理

 現在でも物理学に大きな影響を与える著作で、運動の法則や万有引力の法則について述べられている。

1704年刊行「光学

反射、屈折、分光などの光に関する実験結果について記されている。

科学関連の主な業績

1 数学
二項定理を証明し、無限級数の新しい展開方法を発見する。
微積分法として取り入れられている。

2 光学
従来の光学理論を発展させ、白色光が3原色( R:赤 G:緑 B:青 )によって構成されていることを証明する。
光が波ではなく微小な粒子であると主張した。

3 力学
運動に関する「ニュートンの3法則」の定式化
万有引力の法則」の発見

上のふたつは「ニュートン力学」と呼ばれる。

ニュートンの3法則

第1法則 慣性の法則

外から力が加わらなければ、静止する物体は静止を続け、運動している物体は等速度運動を続ける。

慣性とは、運動状態の変化に抵抗しようとする( 現状を保持しようとする )物体の性質です。

静止に関しては、触ったり風が吹いたりしなければ物体は動きませんから明解ですよね。

“運動を続ける”という点は、何かに妨げられなければという前提があります。
坂を滑っていく段ボール箱だと、坂との摩擦。地面を転がるボールだと空気抵抗など、物理的な障壁があるがゆえにいつかは止まってしまうんですね。

重たいもので想像してみてください。止まっているものを動かすには大きな力が必要で、一度動き出すとなかなか止められませんよね。

第2法則 運動方程式

物体にかかる力の大きさは、物体の加速度に比例する。

物体にかかる力を、物体の質量を、物体の加速度をとしたときの関係はF=maとなります。

言い換えになりますが、物体の加速度aは加えられる外力Fに比例し、その質量mに反比例します。

第3法則 作用・反作用の法則

すべての作用に対して、それと等しく反対方向の反作用が常に存在する。

作用とは、ふたつの物体があったとき、一方が他方に加える力( 効果 )のことです。

反作用とは、作用に対して他方が一方に逆に影響を及ぼす効果のことです。

氷の上に立っているふたりの人間を想像してみてください。 そのふたりがお互いに手で押し合うと、滑って離れていきますよね。

作用・反作用の法則によればふたりは同じ大きさの力を受けますが、同じ速度で離れていくわけではありません
物体の加速度はその質量によって変わるという第2法則の運動方程式があるためです。






万有引力の法則

すべての物体がお互いに重力や引力( =万有引力 )を受ける。

力の大きさを,万有引力定数を、ふたつの物体の質量をそれぞれm1m2、ふたつの物体の距離をとしたときの公式です。

万有引力定数は下のような数値となります。

引力の大きさが物体の距離の2乗に反比例しているため、「逆2乗の法則」(逆2乗則 )とも言われます。

まとめ

ニュートン力学」の解説でした。

ニュートン力学は「ニュートンの3法則」と「万有引力の法則」からなり、
さらにニュートンの3法則は慣性の法則運動方程式作用・反作用の法則の3つを指します。

日常的に目にする事柄は法則によって証明されていて、それをしっかりと実感できるということがとても面白いですね。

ありがとうございました。

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