どうして月は落ちてこないの?・・・「落ちない」話

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はじめまして。専門は素粒子理論、趣味は漫画を描くことの鳥畑です。

突然ですが、みなさんは、「どうして月は落ちてこないの?」と思ったことはありませんか?

私は、夏に小さい頃から夕涼みで星を見るのが日課だったので、星好き&宇宙好きになりましたが、小学校低学年の時、父に「どうして月は落ちてこないの?」と聞いたことがあります。

そしたら・・・

 

もっとも、父は工場のおっちゃんなので、いたしかたないですし、「宇宙は無重力だから」などとごまかさなかったのも、今となっては偉いと思っています。

さて、みなさんがよくご存知の遠心力は「見かけの力」であり、本当に月を円運動させるのに必要な力ではないんです。例えばカーブを曲がる自動車に「乗ってる人」が「感じる力」なんです。

遠心力がないのなら、万有引力だけ残り、後は地球に落ちるしかないですよね。じゃあ、何で月が落ちてこないかって?

力での説明がむずかしいなら、エネルギーで説明しましょう。

月のでき方には諸説あるようですが、昔々、地球がまだ熱くて真っ赤だった頃、月は地球の周りを公転しながら形作られました。その時の、公転の運動エネルギーを月はずーっと持ち続けています。宇宙空間にいるから空気の摩擦もなく、はじめに持っていた運動エネルギーは減らないんです。月としては、「落ちるに落ちられない」といったところです。

これは、太陽を回る地球も同じです。太陽系を構成する惑星も、できたときから持っていた公転のエネルギーを使って公転し、小惑星にぶつかられたりしなければ、公転のエネルギーを持ち続けます。

「エネルギー保存則」っていいます。「保存」とは「変化しない」ということです。これで、私たちも「太陽に吸い寄せられる」なんて心配しなくてもいいわけです。

このとき「?」と思われた方もおいでですね。

「自転は?」

月も他の惑星も、自転しながら公転していますが、できたときに持っているエネルギーを使っています。

ただし!どうやって自転まで含めて太陽系ができあがったかは、本当はまだ謎のままなんですって!!!

さて、なんで第一弾のブログのテーマが、月の話かというと、「なかなか落ちない」展示に未来館で初めて出合ったからです。

3階の入り口を入って左手に進んですぐの所にある「願いの泉」がそれです。

中に入れたボールが回転しながら、曲面の中心にある穴に落ちて行くのですが、これがなかなか落ちない!

はじめにボールを入れた時のエネルギーが円運動エネルギーとして使われ、周り始めるのですが、宇宙空間と違って、空気抵抗もあれば、曲面との摩擦もある。

なので、最初に持っていた運動エネルギーは、だんだん減っていき、最後には落ちるのですが、穴に入る時のあがき方たるや、尋常ではないんです!!!

「もう落ちるでしょ」と思っていたら穴の淵にしがみついて「落ちたくないよ〜」と言わんばかりに最後の最後まで粘ります。

手の混んだ展示が多い未来館にあって、数少ない「タネも仕掛けもない」展示なので、子ども達は不思議そうに見入っています。私も大好きです。落ちない理由を知っていてもなお、見ていて飽きません。

たかがボール。されどボール。

このボールを見ていると、なんだか自分の人生まで重ねてしまうのは、私だけではないようです。この前、中学3年の生徒さんがボソッと「俺らも落ちなきゃいいのに…」と話していました。受験の重圧を今から感じてるとのこと。(がんばれっ!)

全国の受験生の皆さん!(あ、今度、参議院選挙がありますから、候補者の皆さん)願掛けに、そして元気をもらいに、未来館へいらっしゃいませんか?

教科書に載ってるような基本的なんだけど、「?」に気づけるブログを書いていきたいと思いますので、今後ともどうかよろしく。

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この記事への4件のフィードバック

はじめまして。2012年から月1回程度、未来館で活動しているボランティアです。専門は機械工学です。私も「願いの泉」のボールに興味を持っていましたのでブログを読ませていただきました。疑問がありますのでコメントしますが、私の勘違いのようでしたらご指摘下さい。

1.まず「月が地球に落ちない」のは、初めから月の公転エネルギーが発生し、その公転エネルギーのためのようにとれます。私の考えは、物体が爆発等により運動エネルギーを与えられた場合、外部から何らかの力が作用しなければ、その物体はその時の速度と方向で曲がることなく永遠に動き続けます。その物体Aが他の物体Bに近づいて物体Bの回りを公転すれば、物体Aは物体Bの引力に引かれたことになります。月と地球の関係もこれと同じです。まず月の運動エネルギーが発生して、それが方向をかえて公転ネルギーになったのは地球の引力が作用したためです。

また月の遠心力のことを「見かけの力」と表現していますが、遠心力は作用していないということでしょうか。遠心力は作用しています。ただし、月が落ちないのは月の遠心力が地球の引力と釣りあっているからではないと言うのであれば貴女と同感です。月が地球に落ちないのは、基本的には宇宙船が地球に落ちないのと同じ理由です。

2.貴女も「願いの泉」のボールがなかなか落ちないことに興味を持ちましたが、私はこれを見てまず、「よくここまでボールがなかなか落ちないように円錐曲面を設計したなあ」と思いました。ところでこの現象発生の理由は特に述べていませんが、月の場合と同じような考えでしょうか。この現象に興味を持つ見学者が多いので、私は時々高校生や大学生(それも理系)にこの現象発生の理由を聞いてみましたが、だれも答えられませんでした。よく、「日本の学生は受験ために一生懸命に勉強するが、その応用力が育っていない」と言われますが、なるほどそうかと思いました。またある時、課外活動で理科の先生が引率してきた中学生が先生に、「なぜボールはなかなか落ちないのですか」と聞いたら、その先生は、「重力と遠心力があるから」と言いました。多くの人もこう答えますがこれでは不十分です。丁度、「宇宙船の中で飛行士が浮いているのはなぜか」との質問に、「無重力状態だから」と答えるのと同じです。 これは結果であって、なぜ無重力状態になるのかを説明して、相手に「なるほど。解かりました」と言わせることが大切です。それも相手のレベルにあった説明の仕方で、物理を習ったことがない人には、彼らが実際に体験していることを例に挙げて説明することが大切です。

3.このボールには重力、遠心力、摩擦力、慣性力が作用していますが、このような円錐曲面上を転がっているのでこのような現象が起きます。私は不思議そうに見ている見学者には、「この現象発生の理由を説明しましょうか」と声をかけますが、韓国人、中国人、インド人などには積極的に反応する人が多いですが、日本人はそうでもないことに気付きました。「最近の日本の若者には理科離れが多い」と文部科学省も心配していますが、こんなところにもうかがえます。ある時、不思議そうに見ていた小学生6年生3人に、後の黒板に図解して、彼らの体験していることを例に挙げて説明して解かってもらえました。ついでに宇宙船の中で飛行士が浮いている理由も説明してやりました。

4.これから貴女もわかると思いますが、来館者にはこの現象に興味を持つ人が多いのですが、全体の未来技術製品に興味を持つ人が少ないので、もっと全体に興味を持つよう誘導することをお勧めします。 

5.展示物には貴女が言われるように「!」や「?」がありますが、「×」(おかしい、間違い、など)もあります。解説文には解かりにくい箇所もありますが、これは出品者が自分達の技術・知識レベルで書いたためで、一般人に展示するのであればもう少し解かりやすく書く必要があります。この解かりにくい解説文を、技術内容を良く知らない翻訳者が翻訳すると、ますます解かりにくい英文になります。

6.それらをボランティアや科学コミュニケーターが見学者に説明する時は、今度は自分のレベルではなく、相手のレベルに合わせて解かりやすく説明することが大切です。

7.貴女の専門からして量子コンピュータにも詳しいと思いますが、英語で説明する場合、同時並列的に計算する量子重ね合わせの量子ビット数を、例えば2^8(2の8乗)を英語では「two to the eighth」と言いますが、「2から8」と勘違いする人がいますので、後の黒板に書いて説明したほうがいいと思います。

8.どの展示物にも、単に見ているだけの人と本当に技術内容を知りたがって見ている人がいます。それを見極め、後者の人には、こちらから「解かりましたか」とか「説明しましょうか」と声をかけましょう。二児の母親で時間的にも大変だと思いますが頑張ってください。

ボラスギさま、コメントありがとうございます。

 なかなか、難しい表現が抜けなくて、ごめんなさい。私自身、修行の身なので、これから、精進したいと思ってます。

 量子コンピューターの件では、私の応対を見て頂いていたようで、恐縮です。確かに、海外からいらっしゃったお客様と話していると、量子状態という言葉が通じるのに対して、返って日本のお客様は言葉自体をご存知ない方が多いようです。

 湯川さんから始まって、素粒子物理学における日本の寄与は大きかったと思っているのですが、いつまでたっても、素粒子は粒のままなんだなぁと感じます。

 理科離れについては、おっしゃる通りでです。大学で講義をしていると、ここ数年では、理学部の学生で物理専攻でない100人くらいの学生に毎年聞いているのですが、湯川秀樹という名前を知っている学生は、皆無か、名前を知っていて1〜2人という事態です。いまだと、ガリレオの福山雅治さんだと思う学生もいるでしょうね。

 教育学部の理科教育の学生さん(つまり、将来の小中高の先生)の講義をしても同じような事態ですし、益川さんや小林さんの名前を出しても???です。

 

 もっとも、うちの娘も、「理科(物理)大嫌い」と言ってはばからず、「理科好きはオタクだ」といって毛嫌いします。

私は「世の中オタクで持ってるようなもんだ。携帯だって、オタクの汗と涙の結晶だ」と言ってやります(笑)

 これからも、ご指導よろしくお願いしますね。

マンガの中で「ホントに同じ力がはたらくと月は軌道をはずれ宇宙の彼方に飛んで行くのだ」とあります。

私も最初は面白くて判りやすい説明だと思いましたが、この説明ではハンマー投げの選手がハンマーを回している間の説明ができません。手を離したときに飛んで行くからです。

しかし、鳥畑さんは遠心力と重力が力の釣り合いであるということに気がつかれたとのこと、やっと仲間を一人得た気がしております。

遠心力が見かけの力に過ぎないというのは賛成です。

軌道周回中の人工衛星自体に、重力に抗する力が働いていれば、中の人は宇宙船内の壁に押しつけられるんじゃないですかね。
人工衛星の視点からすれば、人工衛星は慣性力で前方に進みながら前下方に自由落下し続けていて、ただ、落ちる先の地面が良い感じに凹んでいて、かつ、進んだ先で落下方向が良い感じに変わってしまうので、円形に自由落下し続けているだけでしょう。もちろん月も同じです。

これを遠心力が働いていて、重力と釣り合っていると評価するのは、人工衛星の中の人からすれば違和感があると思います。

でも、地球から人工衛星を見上げて、重力があるのに落ちてこない理由として、慣性力由来の、円運動している物体に働くように見える見かけの力として、遠心力を使って説明するのは、それはそれで良いような気がします。

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