作用反作用について

Question

力が作用すると，反作用の力が生じますが，
なぜ反作用の力が生じるのでしょうか？
よろしくお願いします。

lazydog1 · Accepted Answer

作用・反作用と言いはしますが、片方を作用と見た場合は、他を反作用と呼んでいるだけで、立場を変えれば逆の呼び方になります。力は必ず二つセット・反対向きで生じるということで、作用と反作用対等なんですね。

なぜ反作用が生じるかですが、物事を観察した結果の経験則で、原理です。作用・反作用は、ニュートンの力学では第三法則（原理）とされています。理論を作るに当たって、説明抜きに事実として受け入れるものを原理といいます。つまり「なぜそうなるのか？」に答はありません。もしかすると今後、物理学が発展すれば、さらに詳しく説明することができるかもしれませんが、今のところ、説明できないものであるままです。

しかし、なぜ「反作用」というものを考えたかの説明はあってもいいですね。それならあります。

極端な例の一つとして、地表に置かれた静止している物体を考えてみます。物体には、もちろん重力で下に引かれる力がかかっています。ニュートン（やガリレイ）の考え方としては、物体に力がかかれば、加速度を生じるはずです。でも静止したままです。

静止しているということは、物体にかかっている力を全部考えたら、合計して０になるはずです。そこで、物体は重力で下に引かれているが、それと同じ大きさの力で上に押されていると考えれば辻褄が合います。その力は物体と地面が接する場所で生じていると考えると分かりやすく、地面が物体を上向きに押しているということになります。

重力により物体にかかる力を作用とすれば、地面が物体を押し返す力が反作用ということになります。二つがキャンセルし合うので物体は静止したままでいいことになります。

もう一つの極端な例として、無重力の宇宙空間に浮かんだ物体を手で押すとしましょう（押す人はどこかに固定されているとする）。物体はどこに接しておらず、従ってどこかから反作用を受けそうにありません。すると、どんなに重い物体でも手で押した速さで進んでくれそうです。

しかし、宇宙ステーションの紹介映像などで分かるように、そうはなりません。軽いものは楽に押せますが、重いものは思う通りに押すのは大変です。

手で押す力を作用と考えると、このときの反作用は加速度から生じています。ニュートンの第二法則では、「F=ma（力＝質量×加速度）」となっています（これも原理で説明抜き）。同じように押すとするというのは、加速度が同じということです。それに必要な力は質量をかけたものになりますから、重いものほど強い力で押す必要があるのです。物体が押されて加速すること自体が反作用になるわけなんですね。

こういう考え方は、ちょっと奇妙な感じがします。この他に、「静止と等速直線運動は同じ」と考えたりします。普通に考えれば、動いているものと止まっているものは違いますよね。また、「同じ速さで真っ直ぐ走っている列車に乗っている人からすれば、動いているのは地面である」と考えたりもします。どれも奇妙な考え方です。列車に乗れば動いているのは自分だと、普通は思いますもんね。

これは、ニュートン力学が理論としてうまく成立するためには、そういう考え方をしましょうということなんです。そういう考え方は常識と合わない奇妙なもののようでいて、しかし破たんが生じるわけではないし、そのほうが使う数式が簡単になったりします。

力学を勉強し始めると、「ガリレイもニュートンも、何言ってんだ？」ということがいろいろあるんですが、そこを辛抱して勉強を進めると、「ああ、なるほど、こうしたいから、そう考えておこうということか」となってきます。

tadys · Answer

物理学ではこのような質問に答えることはできません。
世の中はそのように出来ているものなのです。

このように出来ていないと何かと不都合なことが起きてしまいます。
例えば、鉄砲で弾を打つときに反動がなければ体に負担がかからず、狙いがつけやすく、連射も楽です。
でもね、弾が動かずに鉄砲のほうだけが動くことが起きてもおかしくないですよね。
結局、弾と鉄砲の両方に力が動かないと変なことになってしまうんです。

物理学では最終的に実験で確かめるしかないんです。
どんなに実験をしても一方的に力を働かせることはできないというのが物理学の結論です。

もう少し物理的な話をすると、作用反作用の法則からは運動量保存の法則が導き出せます。（逆も言えるけど）
運動量保存の法則からは空間の対称性が言えます。
空間の対称性というのは、空間には特別な方向がなくどちらの方向も同じであるということです。
地上では上と下は明らかに違いますが、これは地球という原因があるからで、そのような原因を取り除けばどの方向も同じになります。
運動量保存の法則からは空間の対称性が言えますが、逆に空間の対称性からは運動量の保存が言えます。
このことは「ネーターの定理」と呼ばれています。
http://homepage3.nifty.com/iromono/PhysTips/conserve.html

ですから、作用に対して反作用があるのは空間に特別の方向がないからだと言えなくもないです。
でも、物理学は運動量保存が先なのか空間の対称性が先なのかという質問の答えは用意していません。

tknakamuri · Answer

>重力により物体にかかる力を作用とすれば、地面が物体を押し返す力が反作用ということになります。
>二つがキャンセルし合うので物体は静止したままでいいことになります。

同じ物体に働いている2っの力を作用反作用と呼ぶことは決してありません。
作用・反作用は異なる物体間での力の相互作用です。

AがBをカFで押せばAはBからカーFをうけます。Fを受けとるのはB、ーFをうけとるのはAです。
AがBを重カで引っ張る場合、BもAを逆方向に重力でひっぱります。

なぜ反作用が発生し、作用と同じ大きさで反対方向なのかを説明することはニュートンカ学ではできません。
そのように考えると計算と測定が合うということです。

foomufoomu · Answer

物理学というか、自然科学は、自然を観測・実験して法則を見つけ、数式などを使って説明する学問です。
なぜ？　に答える学問ではありません。それをするのは、哲学です。

lazydog1 · Answer

#1です。

>これに書かれていることは，どういう意味なんでしょうか。

リンク先に長い説明がありますが、どの部分ですか？

tknakamuri · Answer

〉これに書かれていることは，どういう意味なんでしょうか。

束縛カとか拘束力の発生の仕組みを微視的に説明したものですね。

lazydog1 · Answer

#1, 5です。

>作用反作用は，昔は経験法則だったけども，今はもう解明されているというふうに読めるのですが，どうなんでしょうか。
>ここに書かれていることは，どういう意味なのでしょうか。

大きな物体同士の作用・反作用も、ミクロのレベルまで細かく見てみると、原子同士の作用・反作用だと言いたいようですね。それだけのことで、作用・反作用が原理（＝無条件に正しいとして受け入れる理屈）であることに違いはありません。

お示しのリンク先に書いてあることは、書いた人が何らかの意図を持っているようですが、書いた人が言いたいことを言うためだけにいろいろな物理のことを用いて説明しようとしている印象です。

言いだしておきながら、難しいから説明しない、で済ましてしまっているところもあります。仮に一つ一つが間違いでないとしても（※私から各々が正しいと言っているわけではありません）、話が飛躍しているようなところもあるようです。あまり、まとまっていない感じですね。

そういうものはいくらでもあるので、私としては特に興味はありません。ですので、これ以上の説明もしたくありません（いくらでもあるから、キリがないということもある）。

P.S.

もしリンク先の文章を極めて個人的に、しかし率直に言うなら「物理がよく分かっていなくて、しかも説明が下手な人が書いたような文章であり、読まないほうがマシ」といった感じです。疑似科学、ニセ科学ではないんですが……。

tknakamuri · Answer

>作用反作用と，どういう関係なんでしょうか？

あまり関係ないかも。解析カ学とか初等カ学で
張力とか垂直抗力とかを学ぶとき、一度は考えておいた方が
よいことではあります。蝶番がドアを支える力はどこからくるのか？とか
最初は悩むものですが、こうした微視的な説明を読むと、物理的イメージを
掴みやすくなります。

原子間で働く引カやせきカも、作用反作用が対で発生するので
手の平と物体間で働く作用と反作用は、その境界での原子間の作用反作用の
累積なので互いに反対の等しい力になるだろうということは、容易に
想像できますか、原理の証明にはなりません。
押せば手応えがあるのはなぜかという説明になるくらいですね。

反作用の存在のある程度の説明にはなっています。
#もちろん完璧な説明などはありません。

作用反作用について

作用・反作用と言いはしますが、片方を作用と見た場合は、他を反作用と呼んでいるだけで、立場を変えれば逆の呼び方になります。

物理学ではこのような質問に答えることはできません。

>重力により物体にかかる力を作用とすれば、地面が物体を押し返す力が反作用ということになります。

物理学というか、自然科学は、自然を観測・実験して法則を見つけ、数式などを使って説明する学問です。

#1です。

〉これに書かれていることは，どういう意味なんでしょうか。

#1, 5です。

>作用反作用と，どういう関係なんでしょうか？

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