今回は空気や液体から受ける 抵抗力 について考えましょう。

次の図は、クマちゃんがスカイダイビングで 自由落下 をしている様子です。

このクマちゃんにはどんな力がはたらくのでしょうか。まず重力がはたらきますね。この力の向きは当然下向きです。また重力に加えて、空気から上向きの 抵抗力 を受けます。

空気は 小さい分子の集まり であることを覚えていますか。クマちゃんは空気中を小さい分子と衝突しながら進みます。空気中の分子はクマちゃんから一方的に衝突されるのではなく、クマちゃんの運動を妨げるはたらきも行います。このように、空気が 運動を妨げようとする力が、抵抗力 です。

抵抗力をF[N]とおくと、Fはどのような式で表されるのでしょうか？結論を言ってしまいますが、 抵抗力Fは実は速度v[m/s]の大きさに比例 します。

クマちゃんが下向きに速度v[m/s]で落下するとき、比例定数kを用いて 抵抗力F=kv と表すことができるのですね。

抵抗力は速度の大きさに比例するとは一体どういうことなのでしょうか。それは、速度が大きくなるにつれて抵抗力も大きくなっていくということです。

また比例定数kは、物体が空気中を移動するのか、それとも水中なのか、またクマちゃんがどれくらいの面積で空気に接触しているのかによって決まります。空気との接触する面積が大きければ大きいほど空気の分子と多く衝突するため比例定数kも大きくなりますね。

うまくイメージ出来ない人は、パラシュートを考えてください。パラシュートをつけた人はゆっくりと降りてきます。なぜゆっくりと降りてくるのかというと、パラシュートがあるほうが空気と接する面が大きいため、比例定数kが大きくなり、パラシュートに空気の抵抗力がより大きくはたらくからです。

抵抗力F=kvは物体の移動を妨げるように逆向きにはたらく ことを意識して、実際に問題を解いてみましょう。