物体の重さと落ちる速さとの関係とは?

物体の重さと落ちる速さ

空気中で物体を落とすと、重いものほど速く落ちます。
たとえば、石と木の葉をいっしょにもって、ぱっと指を開けば
同時に落ちはじめますが石のほうが速く地面に届きます。




このような経験から、むかしは重い物ほど速く落ちると
考えることが正しいとされていました。

ところが1604年に、イタリアのガリレオが
これは空気があるためであろうと考え、いろいろの実験をして
物体の落ちる速さは、重さとは全く関係がないことを発見しました。

これを、つぎのような実験で、確かめてみましょう。

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図のような長さ1メートルくらいのガラス管の中に
金属片と鳥の羽根を入れたものを用意します。

この中に空気を入れたまま、急に逆さにすると、金属片はスーツと速く落ち。
羽根は、ひらひらしながら、ゆっくり落ちます。

つぎに、上のコックのところから
真空ポンプで空気を抜きとって同じ実験をしてみます。
すると、金属片も羽根も、同じ速さで落ちて、同時に底にたっします。

この実験から「軽い物ほど遅く落ちるのは、空気の抵抗があるためで
真空中では物体の重さと関係なく、同じ速さで落ちる」ということがわかります。

それでは、物が落ちる速さは、どのようにかわっていくでしょう。

ガリレオは、まず、斜面の上においたたまが
自然に落ちていく様子を調べ、自由落下の法則を発見しました。

これは、「物体が自然に落ちる速さは、時間に比例して速くなり
落ちる距離は、時間の二乗に比例する」と言うものです。

上の写真は、ボールを自然に落としたとき
ごく短いー定の時間ごとに光をあてて、落ちる様子をうつしたものです。

落ちるにしたがって速さが増し、落ちる距離が大きくなることが、よくわかります。



水平に投げた物体の運動

物体を水平方向に投げると、図のような放物線を描いて、次第に落ちていきます。
このことは、石やボールを投げるとき、いつも経験することです。

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水平方向には、はじめに手で速度があたえられますが
手をはなれてからは、まったく力がはたらきません。

ところが、鉛直方向には、物体の重さのために
重力がはたらいて、しだいに速く落ちるようになります。

つまり水平に投げられた物体は、水平方向では等速運動をし
鉛直方向では等加速度運動をすることになります。
そして、この2つの運動がいっしょになって、放物運動となるのです。

これをくわしく見ると、空気の抵抗のために、水平方向でも鉛直方向でも
運動と反対向きの力がはたらくのですがおおよその研究では
空気の抵抗を考えなくてもよいのです。

水平に投げた物体の運動では、物体が地面に落ちるまでの時間は
物体がまっすぐ落ちて、地面に達するまでの時間と同じです。







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