エレベータ落下時の浮遊感

エレベータが落下するときにフワッと浮く力について教えてください。

ネットのページを見ると、以下のような説明があります。
加速系から観測する際、上に引っ張られる力の正体は慣性力である。
また慣性力はニュートンの法則を成り立たせるための見かけの力である。

上記説明では架空の力を私たちが体感していることとなり、理解しにくいです。
私は、実際に私たちが感じているのは、慣性力ではなく、垂直抗力だと考えました。

エレベータ静止時は、重力と同じ大きさの力で地面が我々を押し返しており、
エレベータ落下時は、地面から押し返す力が0となります。

そのギャップで身体が浮いたと感じるという解釈をしましたが、
考え方は間違っていないでしょうか。

よろしければ皆さんのご意見をお聞かせ願えますか。

No.9 回答者： bbgoogoo 回答日時： 2014/12/11 16:44

>エレベータが落下するときにフワッと浮く力について教えてください。

エレベータのロープが切れたら。それはエレベータの箱の中にいるあなたといっしょに、エレベータが自由落下している状態です。宇宙旅行の無重力の疑似体験に自由落下が使われます。

　あなたは落下開始の瞬間に、みぞおちにふわっと感覚を感じたことでしょう。それは直前の状態になれた体から地に立つ感覚を、何も感じなかったのが原因です。
　落ちた瞬間、内臓を筋力で支えていたからだが、変化分ふわっとを感覚として感じさせたのです。加速増加があった時、変化の差分だけ感じました。
　そしてきっとあなたの三半規管には落下の瞬間は移動の始まったことを感じなかったことでしょう。三半規管は頭部の姿勢の変化には敏感ですが、わずかな速度はあまり感じられないのです。

ゆえに
Q．　そのギャップで身体が浮いたと感じるという解釈をしましたが、考え方は間違っていないでしょうか。
A.　おおむねあっている、おなじなのですが、表現と物理用語の適用には文学的個人差がでるようです。
　慣性力、垂直抗力がここで用いるに適しているか、物理用語は正しいけれど、表現には向かないように私にとって思います。難しい用語を持ち出さなくても良いのではないでしょうか。

No.8 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/12/09 19:22

＞エレベータ静止時は、重力と同じ大きさの力で地面が我々を押し返しており、

＞エレベータ落下時は、地面から押し返す力が0となります。

＞そのギャップで身体が浮いたと感じるという解釈をしましたが、・・・

　少なくともニュートン力学の範囲内では、この考え方が妥当だと自分は思います。

＞上記説明では架空の力を私たちが体感していることとなり、理解しにくいです。
＞私は、実際に私たちが感じているのは、慣性力ではなく、垂直抗力だと考えました。

　なのでそうです（体感するのは抗力です）。では加速度系における架空の力（見かけの力、慣性力）は何かと言えば、その名の通りです。

　架空の力を使えば、加速度系でも運動方程式がそのままの形で成り立つという理由から導入された、数学的便利手段という事になります（少なくともニュートン力学の範囲内では）。

　ただしそれは、静止系から加速度系への座標変換によってというか、座標変換さえちゃんと行えば、必ず論理的に導けるものなので、見かけの力を使っても必ず正しい答えが出ます。

　その数学的状況をわかりやすく（？）表現したのが、

＞加速系から観測する際、上に引っ張られる力の正体は慣性力である。

という言い方でしょう（少なくともニュートン力学の範囲内では）。

No.7 回答者： tknakamuri 回答日時： 2014/12/09 17:25

うーん、「架空の力」という言い方にあまり引きずられない

方がよいと思います。加速度系では慣性力は紛れもなく
実在する力なので・・・

垂直抗力が何を指しているかわかりませんが、足の裏と
エレベータの床との間の力のことなら、おそらく
それだけでは浮遊感を説明できないでしょう。

肩や肘や膝だって重力を感じているはずです。
体全体から慣性力により重力が消えることを
体全体で感じると思います。

No.6 回答者： ybnormal 回答日時： 2014/12/08 16:16

定性的に説明すればこういうことです。

物体は外力が働かなければ、今現在の運動（あるいは状態）を維持しようとする性質、「慣性」を持っています。つまり止まっている状態ではその止まっている状態を維持しようとします。エレベータが止まっている状態から下降を始める瞬間にも中の人は慣性により止まった状態を維持しようとしますから、エレベータは下降するしかし人はそれまでいたところにとどまろうとする、というわけで人は一瞬取り残されることになります。これがふわっと浮く感覚の原因です。人が下降を始めてからも、エレベータが加速運動をするのであれば、人はきわめて小さい時間差でエレベータの後を追う形になり、常に取り残されていることになります。エレベータが等加速度で下降をし続ける限り、この状態が続く（つまり人の運動はエレベータの運動の後追いとなる）と考えればいいです。

慣性力というのは、「慣性」を説明するために便宜的に導入された概念で、実際に存在する力ではありません。上の例では、人を取り残させる性質（慣性）を上向きの力（慣性力）によって置き換えています。系の取り方によってはこういう見方をしたほうが考えやすいことがあるので、そのためにわざわざ慣性力なんてものを導入しているわけですが、私はこれが人によっては混乱をする原因だと思っています。典型的なのが遠心力で、これは慣性力ですが、道行く人100人に聞いたらおそらく99人は、遠心力は実在の力だと回答するのではないかと推測します。

No.5 回答者： TXV12003 回答日時： 2014/12/08 12:48

>浮く力はないとしても、フワッと言う感覚の正体が知りたいのです。

無重量状態の感覚です。エレベーター程度だと多少体重が軽くなる程度ですが、
地球の軌道をまわる宇宙船は、ずっと自由落下し続けていますので、その状態が続きます。
エレベーターでも、9.8m/s2の加速度で、下降速度を上げていったとすると(要するに、落とすと)、宇宙船の中と同じ体験ができます。

バンジージャンプでも、実際は感じているはずです。特に踏み切った直後です。
スカイダイビングの場合、最初の数秒間は無重量の感覚を感じますが、しばらくして空気抵抗と釣り合う終端速度に達すると空気の上に乗った感じになります。

No.4 回答者： Dio_Genes 回答日時： 2014/12/08 08:36

>エレベータ静止時は、重力と同じ大きさの力で地面が我々を押し返しており、エレベータ落下時は、地面から押し返す力が0となります。

>そのギャップで身体が浮いたと感じるという解釈をしましたが、考え方は間違っていないでしょうか。

　合っています。その見方は、地球から離れた無重力の宇宙空間から眺める観測者（自分が静止だと考えている）の立場になります。ご覧になった説明は、エレベータ内に観測者（やはり自分が静止だと考えている）がいる場合のもので、それも正しい説明になっています。その他、地表にいる観測者（これも自分が静止だと考えている）の立場もあります。現象を眺める、自分が静止だと思う観測者が、どういう状態かによるわけです。

　ご覧になった説明では、慣性系でなく加速系から観測するわけですが、観測者自身が感じている重力ではなく、観測するのは観測者のそばにいる人、あるいはそばにある物体の振舞いだと思ってください。

　エレベータの中に物体が台秤の上に乗っているとします。エレベータ内の観測者は台秤の目盛を見ているとします。エレベータが下に向って加速を始めます。しかし、観測者は「自分が静止している」と考えます（客観的に判断するために、観測者は自分が感じる浮く感じは無視するとします）。

　エレベータが下に向って加速すると、物体を載せた台秤の目盛は物体が軽くなったことを示します。重力という目に見えないものは無視することにすると、物体が上に引っ張られたと考えることができます。

　その力の正体は、実は台秤（が乗ったエレベータの床）が加速度運動しながら物体から逃げる方向に動くために発生しています。慣性系（例えば、地上）の観測者がこの状況を見れば、ニュートンの法則（もしくはガリレイの発見）「力を加えない限り、物体は静止または等速直線運動しようとする」ということに過ぎません。

　実際、物体を上に引っ張る力は物理学でいう「仕事」をすることができません。取り出せない力なのです。仕事ができるのはエレベータを下に向って加速させる力のほうです。

　重力中の自由落下なので、ちょっと違和感が生じるかもしれません。エレベーターを自由落下より速く加速させつつ落下させる場合を考えれば（エレベータの中の観測者としては、物体が上に向って加速するように見える）、エレベーターを押し下げて加速しているわけで、その力はエレベータを押して動かし、エレベータに速度を与え、従って運動エネルギーを発生させています。

　それでも分かりにくければ、無重力中にエレベーターの箱があって、箱を押している状況を考えてもいいでしょう。エレベーターの箱に力を加えて加速させると、エレベータの中では物体が加速度運動を始めたように見えますが、エレベーターの外（無重力の慣性系）から見れば、実際に力が加わり仕事をされて運動エネルギーを得ているのはエレベータの箱です。

　仕事ができない力、エネルギーを蓄えられない力なので「見かけの力」と呼ばれています。

P.S.

　見かけの力として分かりやすいものに遠心力があります。例えば、糸に重りを結び付け、振り回して円運動をさせると、糸には重りに引っ張られる力が生じます。しかし、突然糸を切ると、重りは遠心力が働いていた方向（半径方向）ではなく、円運動の接線方向に飛び出します。

　遠心力の方向には速度0なので、遠心力は何ら仕事をしていない（重りに運動エネルギーを蓄えさせていない）ことになります。ですので、遠心力は見かけの力と呼ばれています。

No.3 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/12/08 08:22

慣性（加速度）で働く力も重力も区別はありません。

地球と人体の間に働く重力を支えるために力を加えて体を支えています。
エレベーターが上昇、あるいは下降すると重力に加速度が加算、あるいは減算されますから、体にかかる加速度（＋一定の重力加速度）の大きさが変わりますから、その加速されている間は大きくなったり小さくなったりします。小さくなったときは停止時に支えた力が余りますから体が持ち上げられる間隔になります。エレベーターの速度が一定になると加速度はありませんから元の間隔に戻ります。今度は減速時にその逆の感覚になります。
　上下に加速減速を受けると分かり難いので、水平に移動する車で考えてください。加速時には重力の方向が真下--床方向よりも後に感じますから、体を前に倒さないと倒れる感覚になりますし、一定の速度になると元に戻り、減速すると加速度の方向が前方になりますからのけぞらなくてはなりません。振り子をぶら下げるとよくわかるでしょう。

　エレベーターの場合はバネばかりに分銅をぶら下げて観察するととてもよくわかります。

＞エレベータ落下時は、地面から押し返す力が0となります。
　これは違います。落下時ではなく「下に加速されているとき」時だけです。定速になるとそれは感じないですからね。

No.2 回答者： kamobedanjoh 回答日時： 2014/12/08 07:19

質問文中の「地面」を「エレペーター床面」に置き換えて下さい。

地面からエレペーターに働く重力は、エレベーターの位置にも速度にも関係なく一定です。
体感は床面の運動によってもたらされています。
エレベータの急降下の際、体感するのは「無重力」に近い感覚です。
急上昇する時には「床面に押しつけられる」架空の力を感じることになります。
エレベータが停止している時、人の身体には停止状態での慣性力が働いて居ます。
急降下の際の浮遊感は、人体には垂直抗力が働いて居ない証拠なのですが。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。

失礼いたしました。
ご指摘の通り、地面ではなくエレベータ床面ですね。

補足日時：2014/12/08 10:40

No.1 回答者： TXV12003 回答日時： 2014/12/08 06:16

エレベーター下降時はゼロにはなりませんが、

もしエレベーターが重力加速度と同じ加速を行えば、感じる重力は０となります（要するに自由落下）。
浮く力などありません（もしそうだったらエレベーターの天井に頭をぶつけます）。エレベーターと、自分の落下速度が常に一致しているということです。

あるいは、下の階から、エレベーターを放物運動をさせた場合も上昇中・下降中含め、ゼロになります。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。

同じ自由落下でも、
バンジージャンプでは浮遊感はなく、
（厳密には自由落下ではないが）遊園地のフリーフォールの
アトラクションでは浮遊感があるような気がします。

浮く力はないとしても、フワッと言う感覚の正体が知りたいのです。

補足日時：2014/12/08 10:26