物理です。


衝突とは、何でしょうか?


衝突は運動量の話とかで出てきますが、衝突とは何なのかは、

定義されていません。


筆者は、演習問題を解いていて、物体が接触するとき、

どこからどこまでが衝突といえるのか、と疑問に思ったことがあります。


その問題とは、

大きい物体Aと小さい物体Bがあり、

Aは床の上に、BはAの上にあり、AとBが違う速さで動くというものでした。


運動量保存則を使えば解けそうだと思ったのですが、

AとBは、はじめから接触しており、ずっと離れません。

運動量保存則を使うのは物体が衝突するときと考えていたので、

接触し続けていても衝突といえるのかですごく悩みました。



こんな話を聞くと、意味を良く考えず言葉だけを暗記するからいけないのだ、

と思う人がいるでしょう。


たしかにそうかもしれませんが、

運動量保存則を球の衝突の例で教えられると、

球が衝突する様子が強く印象に残り、

運動量保存には、衝突が不可欠な気がしてくるのです。




次で説明するように、運動量保存は必ずしも衝突がなくくても成り立つので、

衝突が何であるかを明らかにしなくても、上の問題は解けます。


運動量保存則が成り立つことは次のようにして示されます。

簡単のため、2つの物体A,Bの場合を考えます。

(上のA,Bとは関係ありません。)


ある時刻0秒から時刻T秒までのA,Bの運動量が保存することを示します。



Aが時刻t(0≦t≦T)に受ける力をF(A)(t)とします。


 F(A)(t)とは、( )が2つもあって見慣れない表記ですが、

 (A)はの方は、本当はFの右下に小さいAを書きたかったのを、

 フォント的に小さいAがかけなかったので、やむなく(A)と書いだけです。


 (t)の方は、Fがtの関数であることを表しています。

 y=f(x)の(x)にそうとうするものです。


 F(A)(t)というようにtの関数の形で書いたのは、

 Aが受ける力が時間tとともに変化する場合も考慮に入れるためです。


 あと力の向きは固定してください。たとえば右が正とか決めてください。

 ベクトルを知っていいる人は、F(A)(t)はベクトルだと考えてください


すると、Aが受ける力に関する、T秒間の力積は、

   ∫F(A)(t)dt

です。いきなり∫が出てきてなんなんだと思う人もいましょうが、

ようするに、横軸t、縦軸F(A)(t)のグラフが囲む面積のことです。

まあ、実際の問題では、力がt秒間ずっと一定の場合を考えるので

   ∫F(A)(t)dt = F(A)(t)×t

と思っておけば十分です。


   ここでは、積分の話を詳しくするつもりはないので省略しましたが、

   この記事での∫はすべて定積分で、範囲はもちろん

   0≦t≦Tです。



Bが受ける力も同様にF(B)(t)とします。

力の向きはF(A)(t)で決めたのと同じ方向を正とします。

F(A)(t)を右向きのとき正としたなら、F(B)(t)も右向きのとき正です。

力積は、∫F(B)(t)ですが、F(B)(t)×tで十分です。



さて、AとBの力積を結びつけますが、

そのために、次の条件を課します。


<条件1>

 Aが受ける力はすべて、Bからの力であること

 及び

 Bが受ける力はすべて、Aからの力であること


です。これを、「A,Bは外力を受けない」と表現することもあります。

つまり、AとBは自分らどうしで力を及ぼし合い、受け合うだけで、

他の物体(たとえば物体Cとか)からは力を受けないし、

他の物体に力を及ぼすこともない、ということです。


   「A,Bは外力を受けない」というように、「受ける」話をしてきたのに

   なんで、「及ぼす」方の話まで出てきたのか疑問に思う人が

   いるかもしれません。


   これはもっともな疑問ですが、

   力学では、ニュートンの3法則を認めた上で理論を展開しており、

   第3法則の「作用反作用の法則」を認めています。

   ゆえに、たとえばAが力を受けると同時に、A力を受けた相手に

   力を及ぼすと考えなくてはなりません。



F(A)(t)はAが受ける力であり、誰から受けるのかは指定して

いませんでしたが、<条件1>があると、

F(A)(t)は、Aが、“Bから”受ける力となり、誰から受けるのか特定されます。


F(B)(t)も同様に、BがAから受ける力となります。


作用反作用の法則より、

0≦t≦Tのどの瞬間にも、F(A)(t)=-F(B)(t)が成り立つ。


  F(A)(t),F(B)(t)は同じ向きを正の向きとしているので

  -がつくことに注意。


よって、

   ∫F(A)(t)dt = ∫{-F(B)(t)}dt

となります。

実際には、F(A)(t)×t=-F(B)(t)×tで十分です。



そこで、力積と運動量の関係より、

   F(A)(t)×t=m×v(T)-m×v(0)

   F(B)(t)×t=M×V(T)-M×V(0)

です。


    Aの質量をm、速さをv、

    Bの質量をM、速さをV、としました。

    速さの向きは力に準じ、力のときと同じ方向を正とします。

    ベクトルを知っている人は、速度と考えてください。


    っていうか、向きとか言ってる時点ですでに

    速さでなく速度のような気もしますが。。



で、赤の式3つを組み合わせると、

   m×v(T)-m×v(0)=-M×V(T)+M×V(0)

すなわち

   m×v(0)+M×V(0)=m×v(T)+M×V(T)

となり、Aの運動量とBの運動量の合計は、

時刻0から時刻Tの間で変化しません。つまり保存されます。□



ところで・・・

衝突の話です。


AとBが衝突するとき、AとBは互いに力を受け合い(及ぼし合い)ます。

力を受けない(及ぼさない)こともあるのでは?と思う人は、

F(A)(t)=0、F(B)(t)=0とすればよろしい。


上の議論では、AとBが力を受け合う(及ぼし合う)様子を、

衝突したかというような具体的状況については触れず、

「力F(A)(t)を受ける」などのように抽象的に表してきました。


これは、極端なことをいえば、AとBが接触せず遠隔作用(クーロン力や

重力、あるいは念動力??)によって力を受け合っても(及ぼし合っても)

議論が正しいということです。


よって、衝突しているかどうか、もっといえば触れているかどうかは

運動量保存に関係ありません。




では、衝突とは結局なんだったのか?

昔の筆者流に、運動量保存には物体の衝突が必要考えると、

衝突とは、触れて離れる場合はもちろん、ずっと触れたままの場合や、

そもそも触れていない場合も含んだ、力の受け合い(及ぼし合い)ということになります。


これでは、あまりに日常的意味での衝突からは遠い。


結局、衝突の定義ははその言葉を使う個人の主観により決まる

ということになりそうです。


筆者の主観からいうと、全体的に動いている物体が、まだ接触していない他の物体に

接触することを、衝突というのかなと今のところ思います。

接触後、離れても離れなくても衝突ですし、

他の物体の方は、動いていても止まっていても衝突です。

あと、全体的に動いているというのは、人がビンタをする(つまり、全体ではなく手だけが

部分的に動いての接触)のは衝突ではないと考えるからで、体ごとぶつかる様子を

表現しようとしたものです。

この定義は、即席のものなので、たぶん反例があるでしょう。