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運動の基本1|「速さ」と「速度」の違いと等速直線運動

「等速直線運動」はその名の通り「同じ速度で(まっすぐ)進む運動」のことをいい,「等速直線運動」は物理の中で最も基本的と言ってよい運動の1つです.

小学校の算数でよくある「A君は分速50mでまっすぐ歩きます.3km歩くのに何分かかりますか?」といった文章題は等速直線運動の問題です.

等速直線運動を理解するためには,「速度」をきちんと物理的な意味で理解する必要があります.

我々は日常的には「速さ」や「速度」という言葉を使いますが,物理では「速さ」と「速度」は明確に異なる概念です.

このように,普段使っているからといって,「速さ」と「速度」の違いを意識せずに問題を解くと,誤りになってしまうことがあります.

この記事では,「速度」と「速さ」の違いを説明したあと,「等速直線運動」について簡単に説明します.

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「速さ」と「速度」の違い

冒頭でも述べたように,物理では「速さ」と「速度」は明確に区別され,しっかり使い分ける必要があります.

平均の速さと瞬間の速さ

「速さ」には

  • 平均の速さ
  • 瞬間の速さ

の2種類があります.

平均の速さ

当然のことながら,マラソンでは最初から最後まで同じスピードで走るわけではなく,他の選手との駆け引きや,ラストスパートなどで速くなったり遅くなったりします.

常に同じスピードで走っているわけではなくても,「10kmマラソンを40分で走った」と聞くと「トータルすると分速250m」と考えることはよくあります.

つまり,最初と最後だけを見て,トータルのスピードを考えているわけですね.

Rendered by QuickLaTeX.com

このように,走っている瞬間瞬間のスピードは気にせず,トータルで見て考えるスピードのことを「平均の速さ」といいます.

瞬間の速さ

移動する物体を観察するとき,その観察時間が十分に短ければ,その間でスピードの変化は微小なので,ほとんど変化していないと言ってよいでしょう.

この観察時間は短ければ短いほど,その間のスピードの変化はないものと考えることができ,どんどん観察時間を短くしていけば,瞬間瞬間のスピードを考えていることになりますね.

このようにして考えた瞬間瞬間のスピードのことを「瞬間の速さ」といいます.

平均の速さを「長期的にみたスピード」というならば,瞬間の速さは「今みたスピード」ということができます.

最初と最後の時間差と移動距離だけを見て考える移動スピードを「平均の速さ」という.一方,瞬間瞬間の移動スピードを「瞬間の速さ」という.

速度

「瞬間の速さ」はあくまでスピードだけで,池の周りをグルグル回っていても「速さ」が一定ということはあり得ます.

一方,「速度」は瞬間の速さに加えて,移動の方向も考えます.

「瞬間の速さ」と「向き」を併せて考えたものを「速度」という.

例えば,「1kmをA君は分速50mの『速さ』で歩く」といえば,A君は普通に道を歩いて行った様子が思い浮かびます.

しかし,もし「1kmをA君は分速50mの『速度』で歩く」といえば,物理では「A君は道が曲がっていても関係なく,壁にぶつかろうが側溝に落ちようがお構いなしに,壁をぶち破ったり側溝の水の中をじゃぶじゃぶと,『まっすぐ』同じ速さで進む」ことになります.

よって,速度は「向き」と「大きさ」を同時に考えているので,ベクトルで図示することができますね.

速さの単位

時間の単位としては,

  • 秒(記号はsecondの頭文字で“s”)
  • 時間(記号はhourの頭文字で“h”)

が使われることが多く,距離の単位としては

  • メートル(記号はmeterの頭文字“m”)

が使われることが多いです.

これらを用いると,例えば

  • 時速3km→3[\mathrm{km/h}]
  • 秒速5m→3[\mathrm{m/s}]

などとなります.

“/s”,“/h”がそれぞれ「1秒あたり」「1時間あたり」という意味であることは当たり前にしておきましょう.

等速直線運動

それでは,等速直線運動の説明に移ります.

最近,ウィンタースポーツの「カーリング」が有名になりつつありますね.

カーリングでは,氷と石の間の摩擦力はとても小さいので,石はほとんど減速せずスーッと一直線に滑っていきます.

ただ,とても小さいとはいえ摩擦力は0ではないのでいずれ静止しますが,もし摩擦力が完全に0であれば,石は同じ方向に速さ一定で進んでいきます.

この運動のことを「等速直線運動」といいます.

等速直線運動とは「同じ方向に,速さ一定で進む運動」のことをいう.

「速度」が瞬間の速さと向きによって決まることから,「速度が一定」であるとは「常に同じ向きに,同じ瞬間の速さで移動する」という意味になります.

ですから,等速直線運動は「速度が一定の運動」と説明することもできますね.

「速度が一定」といえば,運動の向きも同じとなるので「一直線上を同じ方向に動く」という意味が自然と含まれますね.

以下は,等速直線運動の公式です.

「速度v」の等速直線運動で,物体が「時間t」運動したとき,物体の「移動距離をx」とすると,x=vtが成り立つ.

例えば,

  • 速度vで時間1進めば,移動距離はv
  • 速度vで時間2進めば,移動距離は2v
  • 速度vで時間5進めば,移動距離は5v

ですから,速度vで時間t進めば,移動距離はvtとなりますね.

最後まで読んで下さってありがとうございました!

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