高校物理、慣性系

Question

慣性系と非慣性系の違いが明確にわかりません。慣性の法則は運動している物体に対し、外力が働かなければ、物体は等速直線運動し続け、静止している物体は静止し続ける。というのはわかるのですが。初心者にわかるよう教えてください。お願いします。

ddtddtddt · Accepted Answer

＞・・・外力が働かなければ、物体は等速直線運動し続け、静止している物体は静止し続ける。

慣性法則は当然わかる（認める）けれど、慣性系はわからない。というか、慣性系という考えが何のためにあるのかわからない、という質問だと受け取りました。

まず慣性法則と慣性系は別物です。慣性法則は物理法則ですが、慣性系は物理法則ではありません。しかし慣性法則と関連して、力学の体系の中で是非必要となるものです。

物体は質点の集まりです。なので力学は、本質的には質点の挙動を記述できればOKです。質点を粒子と言ったりします。外力が働かな事を、自由だと言ったりします。そうすると慣性法則は、

・自由粒子は等速直線運動する（静止含む）．　　(1)

という事になります。(1)は当然じゃないか！、と思うかも知れません。しかし問題は、等速直線運動してれば自由か？、というところなんですよ(^^；)。

というのは、自由じゃない粒子の運動を観測したとしても、それが等速直線運動に見えるような観測点なんて、いくらでも考えられるからです。観測「点」と言っても、静止してる訳じゃありません。

自由じゃない粒子と同じ加速度で運動する観測点に観測装置を載っけたら、自由じゃない粒子も等速直線運動になるはずです。だから慣性系は、次のように定義しなければなりません。

・自由粒子「が」等速直線運動する観測点を、慣性系と言う．　　(2)

要するに慣性系とは、慣性法則が観測結果通りに成立している観測点の事です。何故(2)が必要かというと、等速直線運動するか否かで力の有る無しが決まる、そういう体系に力学がなっているからです。そして観測点に人が載ってたら、その人は必ず観測装置の結果を見て、横軸－時間の縦軸－距離のグラフを書くであろうから、少々かっこつけて（抽象化して(^^；)）、

・自由粒子が等速直線運動する「座標系」を、慣性系と言う．　　(2’)

となります。(2)または(2’)があれば、

・粒子が自由であるとは、慣性系においてそれが、等速直線運動する事．　　(3)

と言う事ができます（(1)を考慮して）。

で、(1)を考慮すれば慣性系は結局、等速直線運動する観測点（座標系）になります。この辺りから、慣性法則と慣性系の混同も起きるのかな？とは思いますが、(2)と(3)の定義を読んで、「論理が循環してる」と思ったなら、あなたは鋭い。

(2)と(3)が必要だったのはどうしてか？。

それは等速直線運動しているという観測結果だけからは、粒子が本当に自由かどうかはわからないので、慣性法則(1)が正しく成り立つ観測点の「存在」が必要だったからです。

ところが(2)は、「自由粒子が等速直線運動する座標系が、慣性系」だと言い、(3)は「粒子が自由であるとは、それが慣性系で等速直線運動する事」だと言う。

けっきょく(2)と(3)は、何物も示していない。何かの（慣性系の）存在を保証するものではない。

それで結論を言ってしまうと(2)と(3)は、「力の有る無しは、観測によって判定できる」という経験事実があってこそ、初めて成り立つものです。

その最も一般的な方法は、観測点に慣性力が作用するか否かです。最も良く引き合いに出されるのは、ブレーキ中の電車かメリーゴーランド（衛星都市？）です。衛星都市の例で言うと、「少なくとも一つ慣性系は存在すると仮定して」、それに対して回転する衛星都市を想定すると、（遠心力）人口重力が発生するので、衛星都市は慣性系ではなく、非慣性系であるという議論です。

ところがこの議論は、重力に対しては使えないんですよ。国際宇宙ステーションはとんでもないスピードで地球周回軌道を自由落下してますが、「自由落下は加速度運動」です。しかし慣性力は「発生しない」。だから船内は、無重量状態です。

このようなケースでは、近くに地球があって万有引力が働くのだから、国際宇宙ステーションは当然「非慣性系だ！」と判断します。

良い例だと思うのですが、物理はあくまで経験科学です。見た事しか出来なし、それ以上の事は出来ません。

高校の受験体制では、その辺りが省略されてしまって戸惑うかも知れませんが。

teppou · Answer

要するに、加速も回転もしていない系を慣性系と言います。

その系内で、系が何らかの運動をしていると観測できない状態を慣性系と言います。

地球は、自転と公転をしていますが、その影響は無視できますので、地表は重力を織り込んで慣性系とみなします。

omi3_ · Answer

慣性系の実例は
猛スピードで動く宇宙ステーションです。
宇宙飛行士の実験映像をみたことありますよね。

非慣性系の実例は
地球上です。　重力加速度があるので物体には外力が働きます。
しかし、台車などで重力の影響を防げば慣性系の実験ができます。

余談
地球は、太陽を中心に、約秒速30kmで公転しています。
太陽は、銀河系ブラックホールを中心に、秒速240kmで回っています。
銀河系は、フリーで、銀河間は離れているようです。
しかし、
お隣のアンドロメダ銀河とは仲良しで、秒速120kmで近づいています。
見かけの幅は月より大きいんですよ。　早く会いたいですね。
最も地球に外力を及ぼしている星は、月なんですよ。

bgm38489 · Answer

簡単に言うと、等速直線運動をする座標系が慣性系、等価速運動する座標系が非慣性系ですね。静止している物体は、速度０で等速直線運動しているといえます。
http://www.jukust.jp/archives/articles/%E6%85%A3%E6%80%A7%E7%B3%BB%E3%81%A8%E9%9D%9E%E6%85%A3%E6%80%A7%E7%B3%BB

高校物理、慣性系

＞・・・外力が働かなければ、物体は等速直線運動し続け、静止している物体は静止し続ける。

要するに、加速も回転もしていない系を慣性系と言います。

慣性系の実例は

簡単に言うと、等速直線運動をする座標系が慣性系、等価速運動する座標系が非慣性系ですね。

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