バスがブレーキをかけたとき、体が前に傾きます。「前向きの力で押されたから」と書きたくなる場面ですが、まず、止まる直前に体がどう動いていたかを考えてください。バスと一緒に、体も前へ進んでいました。その運動を変えるには、力が必要です。前へ動くこと自体に、いつも前向きの力が必要なわけではありません。
この問題では、地面に立ってバスを見ている人の立場で考えます。動く車内から見た説明と混ぜると、「どちらへ動いたか」と「どちらへ力を受けたか」が入れ替わってしまいます。観察する立場を先にそろえることが、慣性を理解する入口です。
ブレーキで変わるのは、まずバスの速さ
バスが右へ一定の速さで走っている図をかきます。乗っている人にも、右向きの矢印をつけましょう。ブレーキがかかると、バスは速さを落とします。床に接した足には、床から運動を変える力が伝わります。一方、上半身は、それまでの運動を続けようとするため、足元に対して前へ傾きます。
実際の体には筋肉や関節を通して力が伝わり、つり革を持てば手からも力を受けます。体全体が力を受けずに進み続ける、と考える必要はありません。ここで読み取りたいのは、急に前向きの押す力が現れなくても、前へ傾く現象を説明できるということです。
慣性は、新しく加える力の名前ではない
物体に働く力の合計がゼロなら、静止している物体は静止を続け、動いている物体は同じ向きに同じ速さで進み続けます。この性質が慣性です。「動いている物体は止まりたがる」という性質ではありません。
床を転がる球がやがて止まるのは、床との摩擦や空気から受ける力などが運動を変えるからです。身の回りでは、止まる例を多く見るので、「押していないから止まる」と結びつけがちです。しかし、押すのをやめることと、止める力を受けることは分けて考えます。
力が一つもない場合だけでなく、いくつかの力がつり合っている場合も、力の合計はゼロです。机上の物体なら、重力と机からの力が上下につり合うことがあります。横向きの運動を考えるときに、重力があることだけを理由に「一定の速さでは進めない」と判断しないようにしましょう。
矢印は「運動」と「力」で色を分ける
右へ動く台車が、左向きの力を受けることもあります。その場合、台車は直ちに左へ走り始めるとは限りません。まず右向きの速さが小さくなります。動く向きと力の向きが反対でも、矛盾ではないのです。
解き直しでは、青い矢印に「動く向き」、赤い矢印に「受ける力」と書いてみてください。矢印を一種類だけにすると、右へ動いている絵を見た瞬間に右向きの力を足してしまいます。速さが増えるのか、減るのか、変わらないのかまで横に書くと、説明の不足を見つけやすくなります。
例題1：押すのをやめた台車
水平な道を右へ進む台車があります。摩擦と空気抵抗は無視でき、上下の力はつり合っています。台車を押すのをやめたあとは、①すぐ止まる、②右へ同じ速さで進む、③右へだんだん速くなる、のどれでしょう。
答え・解説： ②です。押すのをやめたあとの水平方向の力はゼロなので、右向きの運動を変える理由がありません。③を選ぶと、力を加えていないのに速さを増やしています。①を選ぶと、問題で無視した摩擦を、頭の中で戻してしまっています。現実の台車の経験と、例題の条件を区別します。
例題2：停止直前の荷物
右へ走る車の荷台に箱があります。車が急に減速し、箱と荷台の摩擦が小さいため、箱が荷台に対して前へずれました。このとき「箱が前へずれたので、地面から見ても箱の速さは増えた」と言えますか。
答え・解説： 言えません。車の速さが大きく減り、箱の速さの減り方がそれより小さければ、箱は車に対して前へずれます。例えば説明用に、車も箱も最初は毎秒6m、少しあとに車が毎秒2m、箱が毎秒5mになったとします。箱の速さは減っているのに、車より速く前へ進んでいます。車内でのずれと、地面から見た速さの変化は別です。
「止まったから力がない」も逆にする
静止している物体にも力は働きます。つり合っていれば、動きは変わりません。一方、動いている物体でも、力がつり合えば速さと向きは変わりません。静止か運動かだけで、力の有無を決めないことが大切です。
慣性の問題では、「直前の運動」「力の合計」「誰から見た動きか」の三つを短く書き出しましょう。バスの話を暗記するより、台車や荷物に場面が変わっても説明できるようになります。力の図を整理したあとは、静止摩擦の力や地震計と相対的な動きでも、動きの矢印と力の矢印を区別してみてください。