したがって, 一つ物体に複数の力 \( \boldsymbol{f}_1, \boldsymbol{f}_2, \cdots, \boldsymbol{f}_n \) が作用している場合, その 合力 \( \boldsymbol{F} \) を \[ \begin{aligned} \boldsymbol{F} &= \boldsymbol{f}_1 + \boldsymbol{f}_2 + \cdots + \boldsymbol{f}_n \\ & =\sum_{i=1}^{n}\boldsymbol{f}_i \end{aligned} \] で表して, 合力 \( \boldsymbol{F} \) のみが作用していると解釈してよいのである. 力(Force) とは物体を動かす能力を持ったベクトル量であり, \( \boldsymbol{F} \) や \( \boldsymbol{f} \) などと表す. 複数の力 \( \boldsymbol{f}_1, \boldsymbol{f}_2, \cdots, \boldsymbol{f}_n \) が一つの物体に働いている時, 合力 \( \boldsymbol{F} \) を &= \sum_{i=1}^{n}\boldsymbol{f}_i で表し, 合力だけが働いているとみなしてよい. 運動の第1法則 は 慣性の法則 ともいわれ, 力を受けていないか力を受けていてもその合力がゼロの場合, 物体は等速直線運動を続ける ということを主張している. なお, 等速直線運動には静止も含まれていることを忘れないでほしい. 慣性の法則を数式を使って表現しよう. 質量 \( m \) の物体が速度 \( \displaystyle{\boldsymbol{v} = \frac{d\boldsymbol{r}}{dt}} \) で移動している時, 物体の 運動量 \( \boldsymbol{p} \) を, \[ \boldsymbol{p} = m \boldsymbol{v} \] と定義する. 慣性の法則とは 物体に働く合力 \( \boldsymbol{F} \) がつり合っていれば( \( \boldsymbol{F}=\boldsymbol{0} \) であれば), 運動量 \( \boldsymbol{p} \) が変化しない と言い換えることができ, \frac{d \boldsymbol{p}}{dt} &= \boldsymbol{0} \\ \iff \quad m \frac{d\boldsymbol{v}}{dt} &= m \frac{d^2\boldsymbol{r}}{dt^2} = \boldsymbol{0} という関係式が成立することを表している.
本作のpp. 22-23の「なぜ24時間周期で分子が増減するのか? 」のところを読んで、ヒヤリとしました。わたしは少し間違って「PERタンパク質の24時間周期の濃度変化」について理解していたのに気づいたのです。 解説は明解。1. 朝から昼間、2. 昼間の後半から夕方、3. 夕方から夜、4. 真夜中から朝の場合に分けてあります。 1.
まず, 運動方程式の左辺と右辺とでは物理的に明確な違いがある ことに注意してほしい. 確かに数学的な量の関係としてはイコールであるが, 運動方程式は質量 \( m \) の物体に合力 \( \boldsymbol{F} \) が働いた結果, 加速度 \( \boldsymbol{a} \) が生じるという 因果関係 を表している [4]. さらに, "慣性の法則は運動方程式の特別な場合( \( \boldsymbol{F}=\boldsymbol{0} \))であって基本法則でない"と 考えてはならない. そうではなく, \( \boldsymbol{F}=\boldsymbol{0} \) ならば, \( \displaystyle{ m \frac{ d^2 \boldsymbol{r}}{dt^2} = \boldsymbol{0}} \) が成り立つ座標系- 慣性系 -が在り, 慣性系での運動方程式が \[ m\frac{d^2 \boldsymbol{r}}{dt^2} = \boldsymbol{F} \] となることを主張しているのだ. これは, 慣性力 を学ぶことでより深く理解できる. それまでは, 特別に断りがない限り慣性系での物理法則を議論する. 運動の第3法則 は 作用反作用の法則 とも呼ばれ, 力の性質を表す法則である. 運動方程式が一つの物体に働く複数の力 を考えていたのに対し, 作用反作用の法則は二つの物体と一対の力 についての法則であり, 作用と反作用は大きさが等しく互いに逆向きである ということなのだが, この意味を以下で学ぼう. 下図のように物体1を動かすために物体2(例えば人の手)を押し付けて力を与える. このとき, 物体2が物体1に力 \( \boldsymbol{F}_{12} \) を与えているならば物体2も物体1に力 \( \boldsymbol{F}_{21} \) を与えていて, しかもその二つの力の大きさ \( F_{12} \) と \( F_{21} \) は等しく, 向きは互いに反対方向である. つまり, \[ \boldsymbol{F}_{12} =- \boldsymbol{F}_{21} \] という関係を満たすことが作用反作用の法則の主張するところである [5]. 力 \( \boldsymbol{F}_{12} \) を作用と呼ぶならば, 力 \( \boldsymbol{F}_{21} \) を反作用と呼んで, 「作用と反作用は大きさが等しく逆向きに働く」と言ってもよい.
慣性の法則は 慣性系 という重要な概念を定義しているのだが, 慣性系, 非慣性系, 慣性力については 慣性力 の項目で詳しく解説するので, 初学者はまず 力がつり合っている物体は等速直線運動を続ける ということだけは頭に入れつつ次のステップへ進んで貰えばよい. 運動の第2法則 は物体の運動と力とを結びつけてくれる法則であり, 運動量の変化率は物体に加えられた力に比例する ということを主張している. 運動の第2法則を数式を使って表現しよう. 質量 \( m \), 速度 \( \displaystyle{\boldsymbol{v} = \frac{d\boldsymbol{r}}{dt}} \) の物体の運動量 \( \displaystyle{\boldsymbol{p} = m \boldsymbol{v}} \) の変化率 \( \displaystyle{\frac{d\boldsymbol{p}}{dt}} \) は力 \( \boldsymbol{F} \) に比例する. 比例係数を \( k \) とすると, \[ \frac{d \boldsymbol{p}}{dt} = k \boldsymbol{F} \] という関係式が成立すると言い換えることができる. そして, 比例係数 \( k \) の大きさが \( k=1 \) となるような力の単位を \( \mathrm{N} \) (ニュートン)という. 今後, 力 \( \boldsymbol{F} \) の単位として \( \mathrm{N} \) を使うと約束すれば, 運動の第2法則は \[ \frac{d \boldsymbol{p}}{dt} = m\frac{d^2 \boldsymbol{r}}{dt^2} = \boldsymbol{F} \] と表現される. この運動の第2法則と運動の第1法則を合わせることで 運動方程式 という物理学の最重要関係式を考えることができる. 質量 \( m \) の物体に働いている合力が \( \boldsymbol{F} \) で加速度が \( \displaystyle{ \boldsymbol{a} = \frac{d^2 \boldsymbol{r}}{dt^2}} \) のとき, 次の方程式 – 運動方程式 -が成立する. \[ m \boldsymbol{a} = \boldsymbol{F} \qquad \left( \ m\frac{d^2 \boldsymbol{r}}{dt^2} = \boldsymbol{F} \ \right) \] 運動方程式は力学に限らず物理学の中心的役割をになう非常に重要な方程式であるが, 注意しておかなくてはならない点がある.