スペースシャトルや人工衛星の船内が地球の引力と遠心力の関係で無重力だどお聞きしましたが、どこからも引力の影響を受けない地点では例えばロケットが静止(何を基準に静止しているというのか良くわかりませんが)していても無重力になるのでしょうか。また、アポロで月に向かっている時や他の惑星に向かっている時は無重力状態なのでしょうか。SF映画を見ていてもどうもその辺がよくわからないので教えてください。

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A 回答 (6件)

蛇足です。



 無重量状態は自由落下している時に生じる。この自由落下しているものに固定した座標系では、(宇宙飛行士の身体の質量による、宇宙飛行士同士の間の極めて微弱な重力、および宇宙船の中の位置によって天体からの距離が違うことによって生じる非常に僅かな潮汐力を除くと)ホントに重力が働いていません。だから「無重力状態」と言っても構わない。「局所座標系では加速度と重力は全く等価である」という基本法則:「等価原理」からの帰結です。要するにロケットエンジンを吹かしていない時は無重力です。

 宇宙船が回転している場合にも、回転中心から見て一定の位置に静止して浮いている物体Aには重力は働らかず、そのまま浮いています。円筒形の宇宙船が、円筒の中心軸を回転中心として回転している場合を考えてみましょう。宇宙船の壁にくっついて一緒に回転をしているものBには遠心力が働いている。これは回転中心から見るとぐるぐる回っている物体で、宇宙船の壁に押しつけられている。逆に、宇宙船の壁にへばりついている宇宙飛行士Bが浮いている物体Aを見ると、回転中心のまわりを勝手に回っているように見える筈です。
 宇宙飛行士Bが半径R[m]の円周を回転しているとして、地上並の1gの遠心力を感じるためには、大体 6/√(10/R) 秒で1回転しなくてはならず、瞬間の速さは√(10R) [m/sec]です。R=10mなら6秒で1回転、速さ10[m/sec]です。この宇宙飛行士Bが回転方向とは逆方向に向かって10[m/sec]のスローボールを投げると、ボールは速さ0になりますから、物体Aと同じくその場にとどまります。つまりBから見るとボールは壁から一定の高度を保ったままで、宇宙船内を一周して、6秒後にBの後頭部にぶつかることになります。ではBが回転方向に向かってボールを投げるとどうなるか。このボールはすぐに壁にぶつかってしまう。
 このように宇宙船を回転させて作る人工重力は、普通とはだいぶ違う性質を持っています。

>>>地球の周回軌道を離脱する際はエンジンをふかすのでしょうけど、
>>>そのときは後ろ側に引っ張られるんですね。どのくらいの力(重量)がかかるのかな。
>秒速11.2Kmというすごいスピードを得ないと、離脱できません。
>そのくらいの力がかかります…
 幾らであれ速度によって力は生じません。11.2kmというのは:空気抵抗を無視した場合、地表から初速11.2km以上で真上に発射した弾丸(発射後は加速しない)が二度と戻ってこない(脱出できる)というので、この速度を脱出速度と言います。初速11.2kmになるまでどれだけの時間を掛けて加速するかによって加速度が違います。重力加速度の10倍=10g≒100m/(s^2)で加速したら100秒ほどかかる計算ですね。この間に(10g/2 )100x100m = 500kmばかり上昇します。またこの間に宇宙飛行士が感じる重力は10g+地球の引力1gで11gになります。
 ここでは地球の周回軌道を離脱する場合の話ですので、加速して軌道円から双曲線軌道に移します。このとき幾らで加速しなくてはならないということはなく、長時間小さい加速を続けるのでも構わない。たとえば1g以下で加速するのなら、地上と同程度で済む訳ですね。
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この回答へのお礼

とても詳しいご回答をいただき誠にありがとうございます。恐らく小学生にもわかるようにと非常に噛み砕いたご説明だと拝察致しますが、私の脳味噌の質量があまりにも小さいため、時々ご回答の意味が脳の周回軌道を離脱してしまいました。
ご説明を読んでいて唯一わかったことは、お答えが決して蛇足ではないであろうということでした。何回も読みなおして理解してみたいと思います。ありがとうございました。

お礼日時:2001/03/06 23:45

大体回答が出ていますので別の角度から、、、。



時速300Kmで走行中の新幹線の中に座っている2人の会話(AさんとBさん)です。「東京から新大阪までずーっと席に座っていて全然動かなかったね。」。
次に(静岡あたりの)新幹線線路近くで2人の乗った新幹線を見送ったCさんの話です。「新幹線はあっと言う間に通り過ぎて、2人の顔さえ見えなかった。猛烈なスピードで遠ざかって行ったよ。」

つまり、何もかにも同じスピードで動いている系の中では早さを感じません。 これが一般に言われる無重量状態です。でも、一般的には無重力状態と誤って言われています。(物理に弱いアナウンサーが多い???)

宇宙船だけでなく、エンジンを止め自由落下をしている飛行機やロープが切れて落っこちているエレベーター内で無重量が体感できるのはこの理由からです。

本当の意味での無重力とは、例えば月に向かっている宇宙船が月の引力と地球の引力がお互いに相殺しあうある点では体験できると思います(この場合、太陽やその他の惑星の引力は考慮していません。実際にはこれらの引力も含めて計算する必要があります。)

また、加速度が働いている場合は必ず重力を感じます。
車や電車が加速している時に後ろに引張られる様に感じるのは慣性による重力による物です。
先程の新幹線に乗っているAさんもカーブに差し掛かっている時は重力を感じています。
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この回答へのお礼

とってもわかりやすいご解説大変ありがとうございます。よくわかりました。

お礼日時:2001/03/06 00:17

>>逆に映画に出てくる宇宙船(スタートレックなど)みたいに地球上と同じような環境にするためにはやっぱり何かしてるんだ。


ああなるほど、スタートレック。なるほど、なるほど。ふふ。(←謎)
スタートレックの世界では船内の重力は参考URLのようにして作られてるみたいですよ。…って、ほんとにこういうことが可能なのか、読んだだけじゃよくわからないですが、まあ未来空想科学の世界なので。

>>地球の周回軌道を離脱する際はエンジンをふかすのでしょうけど、そのときは後ろ側に引っ張られるんですね。どのくらいの力(重量)がかかるのかな。
秒速11.2Kmというすごいスピードを得ないと、離脱できません。そのくらいの力がかかります…って、説明になってるかな?(^_^;)

参考URL:http://www.m-nomura.com/st/grav.html
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まず最初にお決まりのひとこと。

スペースシャトルや人工衛星の船内は無重「量」ではあっても無重「力」ではないです。地球周回軌道は、地球の重力がバリバリにかかってます。うるさいことを言うようですが(^_^;)

うるさいついでに言うと、「どこからも引力の影響を受けない地点」って、太陽系内ではまずありません。なにしろ、冥王星よりはるかに遠い彼方から、太陽の引力に引かれて彗星が落っこってくるくらいですから。

ですが、まあ、そういう地点が仮にあったとして。そこにいるロケットは、ロケットを噴かしていないかぎり、無重量です。いや、たとえ太陽系内にいたとしたって、ロケットを噴かしていないロケットの船内は、かならず無重量になります。

y2a2さんの「何を基準に静止しているというのか」という疑問がじつはとても重要なので。
宇宙に静止している基準点なんてあるのか? 地球は太陽の周りを回り、太陽は銀河の中を回り、銀河は銀河団の中を動き、銀河団同士もまた相対運動している…どこまで行っても、宇宙で止まってる点というのは見つかりそうにありません。そこで、「静止している」ってことを仮定するのはムナシイことになってしまうので、上記のようなロケットを噴かしていない、ただ惰性で飛んでるだけ、という状態を「慣性系」といって、それがまあ静止してるのと同じと考えることにしようや、ということになってます。慣性系の中は必ず無重量状態になります。

>>アポロで月に向かっている時や他の惑星に向かっている時は無重力状態なのでしょうか。
月に向かうアポロは、力づくで地球から飛び上がった後は、月の引力に引かれて「落ちて」いってるだけです。「落ちて」いる間はとうぜん船内は無重量になります。

惑星(たとえば火星)に向かう場合はちょっと複雑になりますがやっぱり基本は同じで、いったん太陽の引力に引かれつつ太陽を回る離心軌道に乗り、後半はやっぱり目的地の惑星の引力に引かれて「落ちて」行きます。このときも、軌道修正のためにロケットを噴かすとき以外は基本的にずっと無重量状態が続きます。
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この回答へのお礼

いつも明解なご回答ありがとうございます。そうですか、アポロは月にむかって飛んでいたのではなくて、落っこちてたんですか。そうか、なるほど。ところで、地球の周回軌道を離脱する際はエンジンをふかすのでしょうけど、そのときは後ろ側に引っ張られるんですね。どのくらいの力(重量)がかかるのかな。

お礼日時:2001/03/05 00:37

1)物体の基本は運動しているその状態を保とうとします。


2)そして質量をもっているものは全て他の物体を引きつける引力というものがあります。その力の量は質量に関係していて、重いもの同士は互いに引き合うため強い引力があります。たとえば、地球と太陽です。

それでも引力は比較的小さい力であり、ある程度地球から離れると弱くなります。
その状態が「他の惑星に向かっている時」です。
もちろん、他の星が近づけばその引力が働くため、無重力にはなりません。

ところが、宇宙船の中でも遠心力を利用すれば有重力にすることができます。
たとえば、軽い回転をさせることです。
そうすれば遠心力が働き、内部から外壁方向に重力が作られるのです。
SFのスペースコロニーなどですね。

なぜ遠心力が起こるのかというと、1)の法則の応用であり、回転方向に直線に進もうとする力に対して、中心に引っ張る力があるために起こります。
回転方向というものは中心より離れる方向ですからね。

よって、無重力にするためには質量の大きいものから離れる、ブレーキや加速はしない。回転もしない。などを満たすと無重力になります。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。うーん、何もしない状態が無重力なのですか。つまりぼけーとしていればいいんですね。逆に映画に出てくる宇宙船(スタートレックなど)みたいに地球上と同じような環境にするためにはやっぱり何かしてるんだ。ぼけーとしていてはだめなんですね。

お礼日時:2001/03/05 00:29

重力というのは重力加速度のことですので速度が変わるときにかかる力です。

エレベータで上にあがるなら動き始めは体が重く感じ、止まる時は体が浮き上がるように感じるあれです。ですからロケットがエンジンをふかしていないときはどんなに高速で動いていても無重力です。
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この回答へのお礼

早速にご回答ありがとうございました。なるほど慣性で動いているときは無重力だということなのでしょうか。

お礼日時:2001/03/05 00:22

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>自由落下をしている時は重力mgがかかっているから無重力ではないのだと思うのですが。

これを式にすると md^2z/dt^2=-mg です。

これをスペースシャトル内の座標z'で書いた運動方程式に書き直すと、

 md^2z'/dt2=md^2z/dt2+mg=-mg+mg=0 → md^2z'/dt^2=0

となり、加速度は消えていわゆる無重力の状態になります。

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