運動方程式とは？物理センスを磨く方法を伝授！

よく「物理はセンスが必要」なんて意見を聴きます。

確かにセンスがあれば物理の問題は簡単に解けますが、一つ付け加えるとするなら物理のセンスは磨くことができます。

本記事では運動方程式を例に、物理的センスを磨くための近道を伝授します！

物理学とは物事のルールを説明する学問

物理学とはそもそも「”物事のルール”を説明する学問」です。

「物理」という単語は、物(モノ)の理(ことわり)と書きます。「理(ことわり)」とは「ルール」のことです。
このルールを説明するというのが大事で、物体の運動状況を数字や数式を使って説明するというのが物理学の究極の目的です。

ちょっとマニアックな話ですが、この感覚はすごく大切です。このルールを説明する感覚を少しずつ身につけると、物理的なセンスがどんどん磨かれていきます。

ニュートンの大発見

大昔の物理学者ニュートンさんが発見した、すべての物理学の基礎となる方程式がこの運動方程式です。

物理を勉強したことがあるなら、誰でも一度は見たことのある方程式です。逆に見たことないという人は本記事で勉強しましょう。

そもそも、なぜニュートンさんはこの運動方程式を発見することができたのでしょうか？

ある日ニュートンは考えた

ニュートンとリンゴのめちゃくちゃ有名な話をあなたは知っているでしょうか？

ある日、学者のニュートンさんが道を歩いていると、木からリンゴが落ちました。

普通の人は「あ、リンゴが落ちたな」くらいにしか思わないんでしょうけど、やはり大発見をする人は人とはちょっと視点が違うんですね。ニュートンさんは「なんでりんごは落ちたんだろう？」という「リンゴが落ちた理由」を考え始めました。

ニュートンの思考実験

「リンゴが落ちるのには何か理由がある！」とニュートンさんは、ちょっと危ない実験を始めました。建物の上からいろいろな物を落とすという思考実験です。ニュートンさんはこの実験の結果「力は加速度と質量に比例する」ということを発見しました。

運動方程式の発見

「力は加速度と質量に比例する」という結果を発見したニュートンさんは、誰もが説明しやすいようにその法則を公式にしてまとめました。

それがこの式です。

でも、問題はこの比例定数kが何か？です。比例するという結果はわかっていても、この比例定数kが決まらない限り計算をすることができません。

そこで、ニュートンさんはこの比例定数kが１となるように新しい定義を決めました。それがこの定義です。

これにより、比例定数k=1が成り立つため、すべての物理学の基本となる公式、運動方程式が発明されたのです！この発見がきっかけで、物理学の研究が大きく進むことになりました。

物理センスを磨く問題

物理センスを磨くちょっとした問題を考えてみましょう。

問題：「自転車をこぐ力が同じ時、荷物ありとなしではどちらが加速しやすいでしょうか？」

物理学的になぜそうなるのかの理由まで含めて、運動方程式を駆使して説明して下さい。

回答

まず先に答えを言ってしまうと「荷物なしの方が加速しやすい」です。

これ、感覚的にはわかりますよね。荷物を多く積んでいるときの方が、自転車を漕ぐ力が多く必要なのは日常生活でも体感できることだと思います。これを、理論的に説明してみましょう。

理由を説明する運動方程式を以下のように変形します。

この式は「加速度は質量に反比例することを表しています。つまり力が一定なら重いほうが加速しにくいので荷物ありの自転車の方が加速しづらいということ。よって漕ぐ力が同じであれば荷物なしの方が加速しやすくなります。

このように物理がわかると「自然現象がなぜ起きるか」明確に説明できるようになります。今までなんとなく理解していた現象が、明確な理由と一緒に説明ができるようになるんです。

大学受験ではこういった物理的なセンスを問われる問題は良くでますし、知識が深まれば深まるほど物理センスはどんどん磨かれていきますから、いろんな知識をインプットしていきましょう。

動画で本記事についてわかりやすく解説

本記事についてはこちらの動画でも解説していますので、時間があればぜひご覧ください。

まとめ

物理センスが磨かれると、どんどん物理が面白くなりますよ。