【物理】１-１．速さと速度

１．平均の速さ

物体の運動について考える際、速さというのは大切な要素となります。

この速さというのは、ある物体がある場所からある場所へ動いた「単位時間あたりの変化量」を表したものです。

ドローンがあったとして、Ｘ軸上のＸ(Ｔ)地点から⊿Ｔ秒間だけまっすぐ移動してＸ(Ｔ＋⊿Ｔ)地点まで動いたときのことを考えてみましょう。
（注：⊿（デルタ）という記号は変化量を表すときによく登場するので慣れておきましょう）

この時の移動距離は、
Ｘ(Ｔ＋⊿Ｔ)　－　Ｘ(Ｔ)
ということになります。

そして、移動時間⊿Ｔは、
(Ｔ＋⊿Ｔ)　－　Ｔ
と表すことができますので、このドローンの平均の速さは次のようになります。

速さは、単位時間当たりの移動距離ですので、移動距離をかかった時間で割れば求められます。

難しく考えなくても、１０秒間で２０ｍ移動したなら、１秒あたりの平均の速さは　２０÷１０＝秒速２ｍ　であるというのは分かるかと思います。

よって、平均の速さというのは

平均の速さ＝物体の位置の変化量（移動距離）÷時間の変化量（移動時間）

ですから、１－１の分子が位置の変化量（移動距離）で、分母が時間の変化量（移動時間）ということになります。

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ところでドローンですが、私もドローンをプログラミングで飛ばしてみたりしたことがあるのですが、安定飛行のためには、ドローン自身が空中で姿勢を制御しながら飛行する必要があり、意外と一定の速度では飛べていないと感じました。

しかも、ずっと動いている場合のワンシーンを切り取るならまだしも、Ｘ(Ｔ)地点では止まっていたドローンが⊿Ｔ秒後にはＸ(Ｔ＋⊿Ｔ)地点に移動しました、という場合であったなら、その速さは０から始まって増えていったことになります。

要は速さが⊿Ｔ秒間の間でどのように変わったのか、ということについては一切触れられておらず、単にドローンが⊿Ｔ秒間の間にＸ(Ｔ)地点からＸ(Ｔ＋⊿Ｔ)地点へと移動したということだけしか分からないのです。

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話を戻しましょう。

Ｔ＝０で、⊿Ｔ＝１０秒　とします。
そして、Ｘについては
Ｘ(Ｔ)=0　で　X(Ｔ＋⊿Ｔ)＝２０ｍ　と設定しましょう。

そのとき、２つのケースを設定して比べてみます。

①Ｔ＝０のとき静止（秒速０ｍ）していて、Ｔ＝１０秒のときに秒速５ｍまで増加していった場合

②Ｔ＝０のときからＴ＝１０秒まで秒速２ｍで一定の速さで移動している場合

①と②のいずれの場合でも、結局、１０秒間で２０ｍ移動したという事実は変わりません。
②のケースでＴ＝１０秒の瞬間を切り取れば秒速５ｍかも知れませんが、Ｔ＝０のときには秒速０ｍでしたので、移動距離とかかった時間から考えて、平均の速さは結局、秒速２ｍという結果になるのです。

このとき、あれ？秒速０ｍと秒速５ｍの平均だから（０＋５）÷２＝秒速２．５ｍじゃないの？という人がいるかも知れません。しかし、２種類の数字が出てきたから２で割れば良いというのは間違いです。

秒速０ｍから秒速５ｍまで一定の割合で増加したとは限らず、もしかすると、一気に秒速１０ｍまで加速し、その後秒速５ｍまでスピードが落ちていたかも知れません。あくまでも①のケースでは最初と最後の速さが秒速０ｍと秒速５ｍというだけで、物体の運動として得られている結果は１０秒間で２０ｍ移動したということだけなのです。

ですから、平均の速さは、もしかすると①のように速さが変化しながら移動したかも知れませんが、②のように一定の速さで移動したとするとどれくらいの速さで移動してきたと考えれば良いか、ということを求めたもの、というイメージでいると良いかも知れません。

２．速さと速度

これまで速さについて扱ってきましたが、似た言葉で「速度」という表現もありますよね。では「速度」とは何でしょうか。

普段の生活の中では「速さ」と「速度」の違いを考えることはまずないと思いますが、物理の中では異なります。

どちらも単位時間当たりの移動距離ということには変わらないのですが・・・

結論から言えば、速さは大きさのみで方向を持たない量であるスカラー量で、速度は大きさと方向を持つベクトル量であるということです。

簡単にするなら、速さは速度の大きさのみを表したもので、速度は方向まで含めた量ということになります。先ほどまで登場していたドローンで考えるなら・・・

Ｘ軸上の運動で考えた場合に、＋方向へ２０ｍ移動したのか、－方向へ２０ｍ移動したのか、ということまで考えたものが速度ということになるので、仮にー方向に２０ｍ移動した場合は、

　速度は秒速ー２０ｍ
　速さは秒速２０ｍ

ということになります。

物体Ｍが速度ｖで斜めに移動する場合で考えてみると

このようにｘ軸とｙ軸上に速度を分解することができます。
ｘ軸は右方向を正、ｙ軸は上方向を正として考えます。

そうするとｘ軸方向の速度は＋になりますが、ｙ軸方向の速度はーということになるのが分かると思います。

よって、速度というのは、ｘ軸方向の速度とｙ軸方向の速度とｚ軸方向の速度を合わせたもの（合わせたらどの方向にいくのかも含めたもの）で、速さはその大きさだけを表したものということなのです。

では、速さと速度に関してのお話はここまでにしておきます。