宇宙船の中で、人もペンも浮かんでいます。この映像から「宇宙へ行くと地球の重力がなくなる」と考えると、宇宙船が地球の周りを回る理由が抜けてしまいます。地球を回る宇宙船にも重力は働いています。船内で浮いて見えることと、重力そのものが存在しないことは別です。
考えるときは、宇宙船と中の人を一緒に描きます。人だけを切り離して見ず、床も同じように動いていることを入れてください。無重力という言葉を、力の矢印を全部消す合図にしないようにしましょう。
床に乗っているとき、何に押されている？
地上で静かに立っている人には、下向きの重力と、床が上向きに押す力が働いています。体重計は、この接触による力を測って、通常の地上での体重に対応する数字を表示します。地球からの引力を、離れたまま直接測る装置ではありません。
そのため、床や体重計と人との関係が変わると、表示の意味も変わります。体重計の表示が小さいから、体の材料が減ったとは限りません。質量と、支えられるときに感じる重さを分ける必要があります。
この記事では、物体が押し返す力を「支える力」と呼びます。重力は地球が物体を引く力です。二つは働く相手も仕組みも異なるので、同じ矢印を二つの名前で呼んでいるわけではありません。
箱と中の玉が、同じように落ちたら
空気抵抗を無視した模型で、箱とその中の玉を同時に放します。どちらも同じ加速度で落ちれば、箱から見た玉の位置はほとんど変わりません。地面から見ると両方とも落ちているのに、箱の中からは玉が浮いて見える、という関係です。
軌道上の宇宙船では、これに横向きの運動が加わります。地球へ引かれながらも速く横へ進むため、地表に衝突せず、地球の周りを落ち続けるような運動になります。単に真下へ落ちる箱と軌道は同じ形ではありませんが、中の物と一緒に自由落下する点が共通しています。
実際の船内には微小な加速度や振動などがあるため、完全に何の影響もない状態ではありません。ここでは基本を理解するための理想模型を使います。危険な落下実験を自分で行う必要はなく、図と数値で位置関係を追えば十分です。
例題1｜地面からの落下と、箱から見た動き
初め、玉は箱の底から20cm上にあります。ある短い時間の間に、箱の底は地面に対して45cm下がり、玉も同じ45cm下がりました。箱は傾かず、玉も底に触れません。最後に、玉は箱の底から何cm上にありますか。
答え・解説： 20cm上のままです。底と玉が同じ距離だけ下がったため、二つの間隔は変わりません。20−45としてはいけません。その計算は、底だけが止まっていて玉だけが下がった場合の考え方です。
この例では、玉が地面に対して静止していたわけではありません。45cm動いています。「動かない」という答えを使うときは、何から見て動かないのかを付けてください。船内の映像と地上からの軌道図を混同しないための練習です。
質量までなくなるわけではない
浮いている大きな荷物を押すと、動き方を変えるには力が必要です。質量が大きい物ほど、同じ力で同じ時間押したときの速度の変化は小さくなります。浮いているから何でも軽々と加速できる、というわけではありません。
質量は物体の量や慣性に関わる値で、場所が変わっただけで0にはなりません。重力の大きさや体重計の表示とは区別します。資料にkgとN、またはg重などの単位が混ざっていたら、それぞれ何を表すかを欄外に書いてみましょう。
例題2｜重力が残っていても、表示は0になる？
理想模型の箱の中で、物体に下向きの重力が9N働いています。箱と物体と、床に置かれた力を測る装置は一緒に自由落下し、物体を押し支える必要がありません。このとき装置が測る接触の力は何Nですか。「重力も0Nになった」という説明は正しいですか。
答え・解説： 接触の力は0Nです。ただし、重力は問題文で与えた9Nのままです。装置が測るものと、地球から引かれる力は違います。
Nは力の単位です。この問題では地上の体重へ換算せず、力そのものを答えています。装置の0という値だけを見て、「物体がなくなった」「質量が0になった」と結論しないでください。測定器は何を測るかによって、同じ物体について違う数字を示します。
宇宙という場所より、運動の条件を見る
宇宙船がエンジンで加速している場合などは、船内の人と床の関係が変わります。「宇宙だから必ず同じ状態」と場所だけで判断できません。反対に地球の近くでも、短時間の自由落下で浮くような状態を作れます。重力の有無と乗り物の運動を別々に確かめましょう。
落ち方の条件は真空中の落下と紙の形、地上からの見え方は静止衛星は宇宙で止まっている？で整理できます。