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質量・重力・重さの関係 <気圧とは気柱の重さか分子の衝突か?> No.2

前回の記事で気圧の定義が気柱の重さであること、空気分子の衝突により気圧の性質が示されることを説明しました。

気圧の性質というのはいい表現か分かりません。他の物理量との関係性ということもできるかもしれません。

ところで、気圧が気柱の重さであるのは分かりますが、重さって何でしょう?

今回と次回で物質(空気分子)の質量から圧力(気圧)までの流れを取り上げます。

予めお断りしておきますが、私は物理学には疎いので正確とは言えないところも多々あるかもしれません。正確な理解を得たい方はご自分でも調べてみてください。

また、物理量(力、圧力、加速度など)についてはこちらの記事も参照してください。

 ⇒「気象学における物理量と単位(1)」と(2)

1.質量とは

Newton別冊「ビジュアル物理」(株式会社ニュートンプレス発行)では次のように説明されています。

質量とは、物体の動かしにくさ(加速しにくさ)を表す量(質量はどこに行っても同じ)

上のイラスト図(下にもあります)「質量 重力 重さの関係」をご覧ください。

上段の❶の左側の丸が質量を示しています。質量の記号はM または m です。

2.力とは

前述のNewton別冊の説明では

力とは、物体の速度を変える(加速度を生じさせる)もの』となっています。

イラストの下段左側の❷をご覧ください。

F は質量 m と加速度 a に比例し、次の式で表されます。

F=ma

力=質量×加速度

これを運動方程式といいます。

3.力の単位:ニュートン

イラストの上段真ん中の丸で表された物体の質量を 1kg とします。

下段中央の❸をご覧ください。

質量 1kg の物体に 1m/s2 の加速度を生じさせる力を1ニュートン(1N)という単位で表します。式は以下になります。

1N=1kg×1m/s2

4.重力

4-1. 万有引力

図の上段右側をご覧ください。

質量Mのりんご?が宇宙に漂っています。

このりんごが地球のそばに来るとニュートンさんが発見した万有引力が働きます。

Newton別冊によると、『万有引力は二つの物体どうしがおたがいに引き合う力』のことで、この場合『リンゴを地球が引っ張るのとまったく同じ大きさの力で、地球もリンゴに引っ張られて』いるということです。

りんごと地球の質量の差が大きすぎるので、地球がりんごを引っ張っているということにして大丈夫そうですね。

4-2. 重力

重力とは『地球上の物体が地球から受ける引力で、物体の重さの原因となっている力』(デジタル大辞泉)のことです。

重力は引力とほぼ同じように考えることができます(本当は遠心力が関わるのですが、ここでは無視します)。

地球上では地球の引力によって物体は約 9.8m/s2の加速度で引っ張られます。

これを重力加速度 g と呼びます。重力の記号をGとすると以下の式で表せます。

G=mg

5.重さ

Newton別冊によると『重さとは、物体にはたらく重力の大きさのこと』です。

図の右端をご覧ください。りんご(としましょう)が秤の上に乗っています。りんごの質量が 1kg なら秤の針は(地球上では) 1kg を指します。

宇宙から来たりんごが重力によって地上に近づいて来ても、下にいる人間は何とも感じません。

でも頭の上にりんごが落ちたら「重っ!」となります。(その前に「痛っ!」かな)

次回はいよいよ気圧の意味を詳しく調べていきます。

6.まとめ

◆ 質量とは、物体の動かしにくさ(加速しにくさ)を表す量

◆ 力とは、物体の速度を変える(加速度を生じさせる)もの

   F=ma

◆ ニュートン 1N=1kg×1m/s2

◆ 重力とは、地球上の物体が地球から受ける引力

   重力加速度 g=9.8m/s2

   G=mg

◆ 重さとは、物体にはたらく重力の大きさ

※ 記号についてですが、質量はMとm 両方使われています。

  重力はGではなくWを使っているところもあります。