ニュートン力学とは

慣性系において、力と加速度で運動を記述する枠組みです。速さが光に比べ十分小さい($v \ll c$)などの範囲で、身の回りの機械・天体の最初の近似として強いです。歴史のざっくり流れは 古典力学史 を参照してください。

運動の法則(イメージ)

  1. 慣性の法則(第1法則) … 外力がなければ、静止は静止のまま、等速直線運動はそのまま。
  2. 運動の法則(第2法則) … 力と加速度の関係式(次節)。多くの入門はここを中心に据える。
  3. 作用・反作用(第3法則) … 2 物体同士の力は常に向きを逆にしてペアになる。

注意:式は慣性系で書くのが基本です。回転目盛りのついた非慣性系では、見かけ上の慣性力を足す、という別ルートが要ります。

第2法則の式の意味(F = ma)

ベクトルでは次の関係式が中心です。

$$ \mathbf{F} = m\mathbf{a} $$

スカラー(向きを一方向に射影した形)で書くと $F = ma$ と表されることがあります。各記号の役割は次の表のとおりです(英語の頭文字と対応しやすいです)。

記号 語のイメージ 意味
$F$ Force(フォース) 。押す・引く原因の量。SI 単位は N(ニュートン)
$m$ mass(マス) 質量。動き方を変えにくくする量。SI 単位は kg
$a$ acceleration(アクセラレーション) 加速度。速度の変化の速さ。SI 単位は m/s²

厳密には $\mathbf{F}$ と $\mathbf{a}$ はベクトル(向きを持つ)で、$m$ は(この範囲では)スカラーとしてよい、と整理するのが普通です。

式が言うことの直感:同じ質量なら力が大きいほど加速度が大きい。同じ力なら質量が大きいほど加速度は小さい($a = F/m$ と同じ情報)。

単位のつながり1 N = 1 kg·m/s² と定義されるので、$F=ma$ の**次元(単位のかけ算)**がそろいます。

式の変形(a = F / m)

$F = ma$ を加速度 $a$ について解くと $a = F/m$ になります。同じ関係式で、見せたい未知量だけが変わります。

  • 力がわかっているときに、どれだけ加速するかを考える → $a = F/m$ が読みやすい。
  • 加速度がわかっているときに、どれだけの力かを考える → $F = ma$ が読みやすい。

単位のチェックでは、$a = F/m$ の次元が N/kg = m/s² となり、加速度と一致します。

SI(国際単位系)の一言

SI(エスアイ)は 国際単位系(フランス語 Système international)の略で、長さ・質量・時間などの単位を世界でそろえるための枠組みです。力学では m(メートル)、kg(キログラム)、s(秒) がよく出ます。制度や全部の基本単位は 測定・不確かさ・単位系 で掘り下げられます。

力の単位 N(ニュートン)

Nニュートンの記号で、力の SI 単位です(記号は大文字の N。小文字の n はナノなど別用途)。

1 N は、質量 1 kg の物体に 1 m/s² の加速度を与える力の大きさと定義されます。名前は ニュートン(人名) に由来します。

直感の例:地表付近では、約 100 g のものにかかる重力はだいたい 1 N 弱のオーダーです。重力加速度をおよそ 10 m/s² とおくと、質量 0.1 kg のとき $0.1 \times 10 \approx 1$ で、力の大きさはおおよそ 1 N。正確な値は場所で変わります。

加速度の単位 m/s²(メートル毎秒毎秒)

m/s²加速度の単位です。速度の単位 m/s に対して、「1 秒あたりに速度がどれだけ m/s 変わるか」を表すので、秒が二度かかるイメージで m/s² と書きます。

例:加速度が 2 m/s² のとき、(単純化した話では)毎秒、速度が 2 m/s ずつ増える読みができます。

力のなかま(例)

  • 重力、張力、摩擦力、法線力、バネの戻る力 など 接触・場 から定式化しやすいもの。
  • 惑星のスケールでは 万有引力(距離の二乗に反比例する向心力のイメージ)が代表例。

他の言い方との関係

同じ物理を、仕事とエネルギーで書くと別の直感が得られます(仕事とエネルギー)。同じ内容をラグランジュ・ハミルトンで整理するのは 解析力学 側の話です。

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