無重力について
こんにちは。CGクリエイターで小説家の榊正宗です。
↑今日のご飯。キムチ味のスープに、糸こんにゃく＋（もやし、キャベツ、しめじ、ささみ、卵）という最近定番にしているダイエット飯にしました。低カロリーなので、たっぷり食べても、痩せられます！（食べても体重減ってます！）
そういえば、ちょっと前に強化したパソコンですが、CPUファンがうるさいのでリテール品のCPUクーラーから虎徹に替えてみました。
↑マザーボードを外さないといけないのが大変でしたが、それ以外はむしろ、リテールよりもしっかりとネジで固定できるので装着しやすかったです。リテールのクーラーは、グラグラしてCPUとクーラーに隙間があるんじゃないかと不安だったんですよね。
Blenderで290万ポリゴンのパソコンモデルを表示してみましたが、温度も上がらず、静かでした！マザーボードを何度も外すの面倒なので、今回で解決してよかった～！
さて、今日のテーマですが、無重力についてです。
ひろゆき「高さがどんどん上がって宇宙まで行ったときに、その球はもう落ちてこないんですよ。ギリギリから落ちた時のエネルギーはめちゃめちゃでかいのに成層圏超えて宇宙に行くと突然落ちてこなくなるんですよ。エネルギー0になるんですよ」
— Hideyuki Tanaka (@tanakh) April 27, 2021
(´･_･`)なんだろう、嘘つくのやめてもらっていいですか
月の重力圏に入ったときは、地球の重力でカウントした位置エネルギーはいくつになりますか？
— ひろゆき, Hiroyuki Nishimura (@hirox246) April 28, 2021
位置エネルギーが存在するという説で説明すると、火星、木星、水星、アルファケンタウリとか、全ての重量を持つ星の位置エネルギーを持つことになります。
位置エネルギーではなく重力で説明すべきかと。
ちょっと前にひろゆき氏の位置エネルギーについての発言が話題になりましたよね。普通に考えると、位置エネルギーと重力は同じことだと思われますが、そもそも重力って何なんでしょうか？ ほんとうにひろゆき氏は間違ってるのでしょうか？ 気になったので調べてみたいと思います。
🔳質量と重力の違い
これは中学生の知識ですね。
月では重力は６分の１になりますが、質量は同じです。
基地に暮らす──というより、月に暮らす魅力のひとつは疑いもなく低重力にあり、それは心と体をゆったりした状態におく。とはいえ、低重力にはそれなりの危険もあり、新参の移住者が慣れるまでにはやはり数週間がかかる。月では、人体はまったく新しい反射運動を学ばなければならないからである。質量と重さがちがうということを、ここではじめて知るのだ。 地球で七十八キロの体重だった男性は、月ではそれがわずか十三キロであるのを知ってこおどりする。一定の速さでまっすぐに動いているかぎり、その男性はすばらしい浮遊感を味わうことができる。ところが行先を変えるとか、角を曲がるとか、急に止まるとか、そういう行動に出たとたん──かつての七十八キロの質量、というか慣性が、依然として失われていないことに気づくのだ。なぜなら質量は、地球、月、太陽、無重力空間、どこへ行こうが、つねに一定不変のものだからである。
↑2001年宇宙の旅の中に出てくる文章ですが、質量が同じということは慣性も同じだということが描写されています。重力は変化しても、慣性は変わらないというのは、体験してみたいですね。
🔳位置エネルギーとは何か？
位置エネルギーとは、物体が「ある位置」にあることで物体にたくわえられるエネルギーのことですよね。
高校物理学では、基準点を決めて位置エネルギーを計算します。
あれ？でも基準点って何なんでしょうか？そうすると基準点が変わるとエネルギーが変わることになりませんかね？
↑崖の上の机の上の砲丸の高さはどちらを計るか？ どちらにしても、砲丸の知ったことではない！
この問題は質量欠損という考え方で解決するそうです。
🔳質量欠損
陽子や中性子がくっついて原子核を作るとなぜかくっついた後の方が軽くなってしまう現象があり、その減ってしまう質量を質量欠損と言うそうです。
で、有名な相対性理論のこの式によると
Eは物体の持つエネルギー、mは静止した物体の質量、cは光の速さですが、位置エネルギーの増減により質量が増えたり減ったりしないと、この式にならないわけです。
物質は、自然と水が低きに流れていく様に重力に引かれて、低いところへ移動しようとする力が働きますが、最終的には質量欠損が起きるので、位置エネルギーは相殺されるという仕組みになているようです。
うーん。ちょっと難しいですね。つまり、ニュートン力学としての位置エネルギーは相対性理論でもちゃんと証明されていて、ひろゆき氏の言ってることは間違っていたという事ですね。わたしは、調べながら書いてるので説明出来てるっぽくなってますが、ちょっと普通の論理的な思考では答えが出る問題ではなく、それなりに物理学の知識が必要な問題だったという事ですね。
流石にこのレベルになってくると、ひろゆき氏が間違っても仕方ないと思いました。
🔳無重力とは何か？
無重力には2つあると言っていいのかな？たぶん、大丈夫かな……（少し自信がない）。えっと、人工衛星や宇宙ステーションの中では、常に地球に落下しているため、無重力状態になります。
無重力とは重力がないという意味です。 ... 無重量とは重さがないという意味です。 無重力または無重力状態の空間ではどのような物体も重さがありません。 軌道を回る国際宇宙ステーション(ISS)は地球に対して自由落下の状態にありますから、ISSもその内部も無重量です。
正確には、落下している衛星内部は、無重力ではなく無重量と呼ぶのが正しいようです。
この状態は運動している状態なので位置エネルギーは均衡していると言えますよね？この場合の無重力では、位置エネルギーは成立しているのは分かりやすいと思います。
問題は、地球や月から十分に離れた、重力場の外にある場合のほんとの無重力（に近い状態）の場合です。重力はどんな遠方にも届くそうですが、重力は距離の二乗に反比例しますので、どの星からも十分に離れていれば無重力に近くなるはずです。位置エネルギーは、重力場に引かれるはずですが、近くに相手が居ないので、運動が発生しません。
しかし、離れると質量が重くなるという質量欠損の仕組みから考えると、質量として位置エネルギーが蓄えられていると言って良いのかもしれません。
でも、この状態って、人工衛星の無重量と同じなんでしょうか？
それにしても、地表付近にある砲丸の質量が、それが宇宙空間にある場合よりも少しでも違うのなら、それの性質も少し違うのではないだろうか？これを人間に当てはめると、ある宇宙飛行士が地上にいる時と、宇宙空間に行った時で性質が違うことになる。実は、この問題については、原子核物理学である程度決着がついている。人間の体重の質量は、そのほとんどが陽子と中性子の質量に起因するが、陽子や中性子は、重力によってではなく、すでに述べたように原子核内で核力によって大きな質量欠損を起こしている。原子核を破砕する実験によって、内部の陽子や中性子の状態を探ることができる。その結果、質量欠損の大きい原子核中の陽子や中性子であっても、その元々の性質はほぼ維持されていることがわかっている。よって、質量欠損が多少生じたとしても、その性質がめだって変わるわけではない。
うーん。ごめんなさい。実はよく分かりませんでした。ですが、どうやら宇宙空間における質量欠損（の逆？）が起きても、性質にそれほど違いは無いんだそうです。
ニュートン力学と相対性理論では、厳密な無重力の意味が変わってくると思うのですが、体感的にはさほど変わらないということのようです。
なお、ガンダムでは、天体の重力が釣りあているラグランジュポイントというのが出てきますよね。太陽系だと、落下している衛星か、ラグランジュポイントでなければ、無重量にはならず、どこかの重力圏につかまって落ちていくと思われます。
重力場の影響を受けないくらい、遠くの恒星間を飛ぶ宇宙船内であれば、無重力と言えるのかもしれませんね。
しかし、恒星間を飛ぶ宇宙船内って本物は見たことないですし、イメージがうまくできませんよね。
今日は無重力について調べてみました。ちょっと難しすぎてまとめきれませんでしたが、なにかを考えるきっかけになったら幸いです。もし、お役にたてましたら、ポチッと💗マークお願いします。
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