力学1

物理学の目的

空は何故青いのか、何故物は下に落ちるのか、そういった何故そういった現象が起きているのかと疑問に思ったりするであろう。

そういった現象に対して何故なのかといった理由を提示するのが物理学である。

力学とは

りんごが木から落ちるのと同じ法則で、月が地球の周りを回っていることを発見したのがニュートンである。

ニュートンは物体の運動を支配している原因と、その法則性を導いた。こうした運動の法則とそこから導かれる一般的な事実、どのような座標系でもよい表現にした解析力学までが、力学の対象である。

運動の法則

次のようなことが力学のすべてである。

物体の運動の原因となっているものを力と呼ぶ。この力が原因として、物体は運動方程式というシンプルな数式によって、どのような運動となるかが決まる。

力とは

運動の原因となっているものを力と述べた。現在の科学で存在すると考えられている力はこの4つである。

• 重力

• 電磁気力

• 弱い力

• 強い力

弱い力、強い力はミクロな世界じゃないとその効果が現れないため、力学では無視をしてよい。
重力と電磁気力によって全ての運動は説明できる。
ここで、摩擦力はないのか？と疑問に思うかもしれない。
摩擦するときの力は、電磁気力に含まれている。普通物体は電気的に中性だが、物体同士が接触する、すなわち、物体同士が近づいた極限を考えると、表面同士の電荷分布が見えてくるため、近づきすぎるとその電荷よって反発が起きる。これが摩擦力である。

運動方程式とは

ma=F
これが運動方程式である。mは質量、aは加速度、Fが力である。
力が原因で加速度が変化するということを表している。
加速度というのは、物体の位置(ベクトル)を2回時間で微分したものである。
微分というのは、微小変化率のことであり、ごく短い時間の間にどれだけ変化したかを表す量である。例えば、速度は単位時間あたりどれくらい位置が変化したかを表す量であり、位置を微分したものが定義である。

力学のポイントはこれで全てであり、残りは運動方程式を式変形することで分かる事実を学ぶといことを行っていく。