物理学では、重い物質は速く落下するのではないのです

Question

物理学では、重い物質は速く落下するのではないのですか❓

Dio_Genes · Accepted Answer

>物理学では、重い物質は速く落下するのではないのですか？

条件次第では、そうなります。むしろ、経験的な事実としてはそういう例を数多く見ますし（鳥の羽根より石のほうが速く落ちる等）、それゆえ昔の人も重い物のほうが速く落ちる性質があると考えた。そのことに間違はありません。物理学もそういう事実が無いなどとは、口が裂けても言えません（事実を説明できない理論など無用の長物）。

ただ、重いものほど速く落ちるということを、どう見ているかが違っているのです。（素朴な）還元主義とも言われるのですが、もし要素別に分けられるなら分けてみて、一つ一つをしっかり理解しておいて、もう一度元の現象に組み立て直してみるのです。

考えやすくするため、無風状態だとして、物が落ちるとします。空気中ですから、物は風を受けることになることは容易に分かります（手を振っても風を感じたりしますし）。そして、風を受けるということは力を受けるということになります。

一方、物を計りに乗せると重さを示します。バネに乗せればバネが縮むわけですね。じっとしていれば、下向きに力を受けている。物が落ちるというのは、この力のせいだと考えられます。重力ですね。

重力による下向きの力と、落ちる速度のために風による力の二つが落下現象に影響している、と考えるのが物理学です。単に「重いと速く落ちる」としてしまわない。分けられるようなら、分けて考えてみる。

そうして、「空気の影響が無視できるなら重さに関わらず落ちる速さは同じ」と「風の力は大きいほど強い」ということを足し合わせたて考えます。そのとき「重いほど慣性のの影響が大きく、風の抵抗で速度を減じにくい」ということも考慮します。

重さは落下速度に関係しないということがよく言われますが、それは「空気の影響が無視できるなら」ということなのです。ガリレイのピサの斜塔の実験（実は他の人が行ったらしい）では、大きさが同じで明らかに重さが違う金属球と木の球を落として、ほぼ同じ速度になると確認されています。木の球は金属球より軽いものの、空気抵抗の影響を極めて小さくできるほどに充分な重さがあったようです。

それ以前に、ガリレイは「重いほど速く落ちる」に疑問を持ったとされています。軽い物と重い物があり、同時に落とせば重い物が速く落ちるというのが絶対的な事実だとする。では、軽い物と重い物とを紐で結び付ければどうなるか。軽い物が遅いために重い物が速く落ちようとするのを邪魔して、全体では速度が落ちるのか。しかし、結び付けたということは一つの物体になったとも考えられ、二つ合わせてもっと重いのだから、もっと速く落ちるともいえてしまう。どうも、おかしい。

確かにおかしいんですね。「重いものほど速く落ちる」という単純な考え方では説明できてない、何らかの法則があるはず。それを確かめて行くうち、空気抵抗と重力を分けて考えることができたわけです。ガリレイが行ったのは、斜面をいろいろな重さの球を転がすことでした。それなら、ゆっくりなので速さの変化まで確かめられます。彼は、空気抵抗の影響を事実上無くせば、落下距離が落下時間の2乗に比例することなどを見出しています（そのことから、速さが落下時間に比例して増大することも分かる）。そのことをきちんと数式化できたのがニュートンです。

doc_somday · Answer

そこにも書いてあるが、ガリレオ・ガリレイが骨のままでてきてあんたを殴るぞ。

chiha2525 · Answer

軽い玉といっても空気抵抗があるていど無視できるくらいに重いやつ、ビー玉とかね。

卓球の玉とかでは速く転がらないですよ。

chiha2525 · Answer

重いものは速く落下しようとするけど、自身が重いので動きが遅くなって、結局軽いものと同じ速度でしか落下できませんｗ

よく間違うのは、坂を転がす場合。転がるには回転モーメントという、回転しにくさも考えなくてはいけなくなります。
重いものほど回転しにくいので、重い（大きい）球と軽い（小さい）玉を転がすと、直感とは逆に軽い玉のほうが速く下に転がっていきます。簡単にできるので実際にやってみてください♪

sailor · Answer

空気抵抗がないのであれば、重や形状・大きさに関係なく落下速度は一定です。

ちょっと考えると重いもののほうが速く落ちそうですが、重力により重いものに働く力は確かに軽いものより大きいのですが、物が加速する際にはその物の重さに比例した慣性も働いているのです。慣性とは停止しているものは停止し続け、ある速度で動いているものはその速度を保とうとする働きのことです。

これは、ボーリングのボールのように重いボールとピンポン球のように軽いボールを転がしたときに、同じ速度で転がそうとした場合、重いボールんほうが大きな力を必要とすることで確認できるでしょう。

落とした場合も同じで、重いボールを加速させるには大きな力が、軽いボールを加速させるには小さな力が必要と言うことになり、この比率はボールに働く下向きの力と比例するのです。したがって空気の抵抗がない真空中では重さに関係なく落ちる速度は同じとなります。

空気中では空気の抵抗が働くため鳥の羽のように空気の抵抗の大きなものはゆっくりと落ち、鉄の玉のようなものは速くおちますが、真空中では鳥の羽も鉄球も同じ速度でおちます。

f_a_007 · Answer

Q、重い物質は速く落下する。
A、もちろん。

地球が引っ張る力は重い物資にも軽い物質にも等しく働きます。その限りでは、重い物資も軽い物質も等しい力で地球に引き寄せられます。ただ問題なのは、重い物資も軽い物質もまた地球を引っ張っているということ。その力は、ごくごくごくごくごく僅かですが重い物資の方が強い。ですから、そのごくごくごくごくごく僅かな差だけ重い物質の落下速度が速いと考えられます。

ORUKA1951 · Answer

＞物理学では、重い物質は速く落下するのではないのですか
　もしそうなら、重いものと軽いものを結んで落とすと
・重い物よりもっと重くなるので早く落ちる
・重いものは軽いものに引き上げられて遅くおちる
・・・これって矛盾する。

ピサの斜塔は御伽噺だとしても、・・・また実際に落としてもほとんど差がわからないでしょうし、軽いものがゆっくり落ちるでしょう。空気抵抗のために
　そこで、とてもゆるい斜面を重い球と軽い球を転がしてみると---ガリレオが行なったのは多分こちらの実験---同時に転がって生きます。

maiko0318 · Answer

空気抵抗を考えないとすると重さにかかわらず、速度は同じです。
重いものが速く落ちるように見えますが、アインシュタインによると
空間が曲がっているからそう見えるようです。

tzd78886 · Answer

空気抵抗を無視すると重さに関係なく同じ速さです。

物理学では、重い物質は速く落下するのではないのです