重力加速度

物が「落ちる」

生きていて、当たり前だが物が落ちることはよくあるだろう。机から消しゴムが落ちる、ボールを打つといずれ落ちる、葉っぱが木から落ちる。「落ちる」という現象は身の回りにたくさんある。

以下のアニメーションを見てみよう。

「下向き」に「時間とともに速く」落下することがわかるだろう。

これらがすべて、速さが時間とともに変化している運動であるということは言えるだろう。

「落下」を見てみる

以下のアニメーションで、落下を見てみよう。一定時間ごとに位置を記録すると、間隔が広がることに着目してみるとよい。

等時間マーカー付き自由落下シミュレーション

等時間ごとのマーカーを観察して、速度の変化を視覚的に理解しましょう

これから速さが徐々に大きくなっていることがわかる。

次は同じ高さから、重さの異なるものを落としてみるとどうだろうか。

興味深いことに重いものも軽いものも、似たように動いていることがわかる。しかも速さの増え方がほぼ一定に見える。

前章の言葉を用いて表現するなら、速さが一定の割合で変化している、つまり加速度が一定であると言える。

落下における「速さ」の変化

前章の考え方を用いて、「速さが同じ量ずつ増えている」と考えてみれば、どうだろうか。

速さの変化を一定の加速度として表せるとして、向きが下にあるとすれば、

加速度操作シミュレーション

一定の加速度で物体がどう動くか体験しよう

さて、ここで重力加速度という概念を導入してみる。すなわち、重力加速度

として、我々の生活している場所では、\(g \approx 9.8 \, \mathrm{m/s^2}\)としてみる。

検証

この運動を加速度を用いて説明してみよう。

自由落下の検証実験

物体が落下するとき、速さはどう変化するでしょうか？2つの仮説を立てて、実測データと比較してみましょう。

結果

検証で分かったように、物体が勝手に一定の加速度で動いていることが分かった。

いわゆる、同じ下向きで、大きさが一定で落下していることから、等加速度直線運動であるということが言える。

そして、重力加速度は自然界に普遍的に現れる加速度の一例であるということがわかる。

次の問題へ

では「速さの変化」は何が生み出すのか。物体はただあるだけでは加速しないのは当たり前なこととして我々は生活しているが、冷静になってみると、不思議な現象である。ではその変化は何によって生み出されているのだろうか。