物理の先生に解いてほしい力学問題

図1 斜面を転がる円柱の運動

 図1のように、傾斜角θの斜面を、質量M、半径α、中心軸の周りの慣性モーメントIの円柱が滑らずに転がるとき、斜面に垂直方向では、重力の成分と抗力の成分とが釣り合うので、その方向の運動は存在しない。斜面に沿って下方方向を、座標xの正方向に選ぶと、円柱は、重力のx成分と抗力のx成分Fとによって、斜面を転がり落ちる。これは、xの正方向への並進運動と重心のまわりの回転運動とが連動した複合運動である。二つの運動は、Fによって連動するので、Fは並進と回転の二つの運動の両方に現れ、その運動方程式は、次のような連立運動方程式で表される。

 (1-1)は円柱のx方向への並進運動に対する運動方程式であり、(1-2)は重心の周りの回転の運動方程式である。円柱は滑らずに転がるとすれば、v=αωでなければならないので、連立方程式の未知数はVとωのどちらかとFの二つである。I=Mα2/2として、連立方程式の解くと、加速度、角加速度、抗力Fは次のように表される。

 これで、運動学的には完全に解けたことになるが、これだけでは抗力Fがころがり運動に対してどのような役割をしているかが分からない。運動方程式から先に、Fを消去すると、Fが消えた式から、加速度も角加速度も決まり、Fの値は運動に無関係のように思えるからである。しかし、Fが存在しなければ、並進速度も回転の角速度も変わることは明白である。ここで、一歩、踏み込んで運動方程式を動力学的に解くとFの意味が明確になる。(1-1)の両辺に速度vを掛け時間で積分し、一方、(1-2)式の両辺には角速度ωをかけ、時間で積分すると、次の連立方程式が得られる。

 ここで、dxはvdtであり、円柱の重心の変位であり、力の作用点の変位ではないことを強調しておこう。もともと運動方程式のどこを探しても、力の作用点の変位などは存在しない。(2-1)は並進運動のエネルギーがMv2/2と表すことができることを示すとともに、並進運動になされた仕事が、並進運動の運動エネルギーの増分に等しいことを示している。(2-2)は回転運動に対しても同様なことが成り立つことを示している。さらに、抗力Fのする仕事Fdxは、並進運動に負の仕事として寄与し、回転運動に正の仕事として寄与していることも示している。両式を加えれば、抗力Fのする仕事は消え、ころがり運動に対するエネルギー保存則が導かれる。

 抗力Fは斜面と円柱の間での静止摩擦力であり、その作用点が動かないが、Fが仕事をしても不都合なことは何も起こらないことは明らかである。しかし、40年まえにアメリカでは発表された論文Pseudowork and real work(Bruce Sherwood:Am.J.Phys.Vol.51-7,(1983) p.597-602)は、最初から、(2-1)と(3)を持ち出して比較し、(3)式の左辺がreal workであり、(2-1)式の左辺は抗力Fを含むので真の仕事ではなく、擬の仕事Pseudoworkだという。それなら同じ理由で(2-2)式も真の仕事ではなくなる。ところが、真の仕事でない二つの仕事を加え合わせた(3)式は真の仕事になるという矛盾に陥っている。(2-1)も(2-2)も、さらに両者を加えた(3)式も運動方程式から導かれた真の仕事である。本来、一対の仕事として考えるべき、(2-1)と(2-2)とを無理に引きはがし、その片方だけを(3)と繋ぎ合わせた結果、ギリシャ神話に登場する双頭の怪獣が創り出されている。ニュートン力学の完成から300年以上が経過した現在において、力学に仕事の化け物や仕事の幽霊などが入り込む余地はない。

 車のアクセルを踏めば、エンジンが仕事をするのは確かだが、エンジンが仕事をするのは駆動輪の回転運動に対してである。もし、道路から受ける抗力がなければ、アクセルをいくら踏んでも駆動輪が回転するだけで車は加速できない。エンジンの仕事によって回転する駆動輪に、道路から受ける抗力は駆動輪の回転運動に負の仕事をして、同時に車の並進運動に正の仕事をすることによつて、エンジンが生み出したエネルギーを並進運動に伝えている。自動車学校に行ったことがなく、当然免許を持たない筆者にも、その程度なら理解できる。しかし、車は仕事に似て仕事でないPseudoworkによって走ると言われても、劣等生ながらも、一応、大学で物理を学び、大学で物理の授業を担当した筆者だが、さっぱり理解できない。車が走るのは運動法則からは説明できないPseudoworkが存在するためであり、抗力は一切仕事をしないと、一瞥しただけで、即断できる先生方は、ニュートンをもしのぐ異次元の頭脳の持ち主だろうか。過ぎたるは及ばざるがごとし。

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