力

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ニュートンの運動の3法則
第1法則(慣性の法則)：物体は外部からの作用を受けない限り、現在の状況を継続しようとする。
第2法則(運動方程式)：物体に力が働くと、その力の向きに加速度を生じる。力は、加速度に比例しその比例定数を物体の質量と言う。
第3法則(作用・反作用の法則)：物体Aが物体Bに作用を及ぼすとき、物体Bは物体Aに同じ大きさで逆向きの作用(反作用と言う)を及ぼす。

第1法則で、現在の状況を継続しようとする性質を慣性と言います。世の中は変革を嫌い、現状を維持しようとする保守的なものだ、と言っています。物体について、現在の状況というのは、一点に静止(と言えるかどうかは、今いる世界が静止しているかどうか不明なので、そもそも「静止」という概念自体が確定的なものではありません)しているか、等速度運動を維持している、ということを意味します。
この慣性を打破するのが、物体に働く作用：力です。物体に力が働くと、物体の速度に変化が生じ、加速度が発生します。これを言っているのが第2法則です。つまり、力、というのは物体の状況に変化を与える作用だということです。力、加速度には向きを考えるので、ベクトルを使って考えます。力を

，加速度を

として、両者は比例するので比例定数をmとして、

が成立します。mは物体の質量です(もっとも、相対性理論によると、質量はエネルギーと等価、ということになります)。同じ大きさの力を物体に及ぼすとき、質量が大きくなるとそれに反比例して物体の加速度は小さくなります。
力の単位は

です。質量の単位は

です。加速度の単位は

なので、

という関係があります。
ニュートンの運動の3法則の適用範囲は非常に広く、

程度の微粒子の運動から、

(Eは、キロ

，メガ

，ギガ

，テラ

を超えて、ペタ

，エクサ

というレベルの話です)程度の銀河系の運動に至るまで、広範囲に正確に成立することがわかっています。原子のサイズになると量子力学が支配的になり、物体の速度が光速に近くなると相対性理論が支配的になります。

大学入試では、様々な力が登場します。

(1) 重力：地球上の物体に働く力です。重力加速度の大きさを

として、質量mの物体には、大きさ

の重力が鉛直下向き(地表と垂直で地球の中心を向く)に働きます。重力は、物体と地球との間に働く万有引力による力なので、場所(地球の中心との距離・緯度、地球の内部構造)によって変化します。2016年の国土地理院の発表によると、重力加速度の大きさは、東京では

，札幌では

，沖縄では

です。赤道に近づくと地球の自転による遠心力の影響を受けて重力加速度は小さくなります。また、高い山の上では、地球との距離が大きくなるので重力加速度は小さくなります。大学入試では、指定がなければ重力加速度の大きさを

として計算します。

(2) 垂直抗力：物体を机の上に置くと、物体には重力が働くので、物体は机を押します。すると、机は、作用反作用の法則により物体を物体が机を押す力と同じ大きさで逆向きの力で押し返します。この力を、物体との接触面に対して垂直な方向に働くので、垂直抗力と言います。机の上に置かれた物体が机にずぶずぶもぐって行かないのは、物体に、重力だけでなく垂直抗力が働くからです。

(3) 摩擦力：物体を机の上に乗せて机を傾けてもすぐには動き出しません。また、机の上で物体を叩いて動かそうとしても、やがて止まってしまいます。これは、物体と机との間に摩擦力が働くからです。前者の物体を動き出せない力を静止摩擦力、後者の動いている物体を止めてしまう力を動摩擦力と言います。

(4) 浮力：水にゴムボールを沈めようとしても浮き上がってきます。ゴムボールが水から浮力を受けるからです。浮力はアルキメデスの原理によって考えることができます。

(5) 張力：糸に物体を吊り下げると、糸がぴんと伸びた後、物体には重力が働くのに落下しません。物体に重力とつり合う力が働くからです。この糸が物体を引っ張る力を張力と言います。

(6) 弾性力：ばねやゴムに物体を吊り下げると、ばね・ゴムは少し伸びてやがて物体が静止します。この状況で物体をさらに引き下げて離すと振動します。これは、ばねやゴムに、伸びると元に戻ろうとする弾性力が働くからです。この弾性力は、伸びに比例し、伸びると縮む方向に働きます。ばねは縮むと伸びる方向に力が働きますが、ゴムは縮むとたるんで力を及ぼさなくなります。

(7) 抵抗力：水中を歩くと思うように足を動かすことができません。また、空気中をボールが進むとき、だんだん遅くなります。これは、水や空気に運動を妨げる抵抗力があるからです。

(8) 万有引力：地球上の物体には重力が働きます。これは、地球が物体を引っ張るからですが、作用反作用の法則により、同じ大きさで逆向きの力で物体は地球を引っ張っています。物体と地球は引き合っているのです。物体と地球だけでなく、地球と月、地球と太陽、太陽系と他の恒星、恒星同士、銀河系同士、また、地球上の物体同士には引き合う力が存在します。この力が万有引力です。

(9) 電気力：夏になると積乱雲が生じて急に雨が降り出すことがありますが、その際に、雷が落ちて雷鳴がとどろいたりします。これは、上昇気流で水蒸気が水滴に変わる際に摩擦によって正電荷と負電荷が分かれるからです。正電荷と負電荷には引き合う力が起きます。正電荷同士、負電荷同士は反発し合う力が働きます。

(10) 核力：物質は原子の集合体で、原子は正電荷を持つ原子核と負電荷を持つ電子からできています。原子核は、電荷を持たない中性子と正電荷を持つ陽子の集合体です。水素原子以外は原子核に複数の陽子を持っています。正電荷同士には反発し合う力が働くのに、陽子同士が原子核の狭い範囲でまとまっているのは不思議です。実は、原子核の内部では、陽子・中性子を一つにまとめている力が働くことがわかっています。電気力による反発力よりも強く影響を及ぼす距離は原子核内だけという力です。これが核力です。

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