～踏ん張る地面のない宇宙。60トンの巨人と、反動をめぐる物理学～
おはこんにちは。どうも僕です。
ガンダムの戦闘シーンを観ていると、モビルスーツが宇宙空間でビームライフルを撃つ場面がよく登場します。
敵を発見する。
照準を合わせる。
引き金を引く。
ビームが一直線に伸び、敵機を撃破する。
実に格好いい。
でも、ここで一つ疑問があります。
宇宙空間でビームライフルを撃ったら、その反動でガンダムは後ろに飛ばされないのでしょうか？
地球上なら、足で地面を踏ん張ることができます。
しかし、宇宙には地面がありません。
撃った瞬間、機体が後ろへ動いてしまうのではないか。
今回は、そんな疑問を物理学の視点から考えてみます。
■銃を撃つと反動が発生する理由
まず、現実の銃について考えてみましょう。
銃弾が前方へ飛び出すと、銃は後方へ押されます。
これは、運動量保存則によるものです。
簡単に言えば、外部から力が加わらない限り、物体の集まり全体の運動量は変わらないという法則です。
例えば、質量10グラムの弾丸を秒速800メートルで発射したとします。
弾丸の運動量は、
0.01kg × 800m/s ＝ 8kg・m/s
となります。
このとき、銃本体には反対方向の運動量が生じます。
実際には火薬ガスの噴出なども反動に関係しますが、基本的な考え方は同じです。
では、この現象がモビルスーツでも起こるのでしょうか。
答えは、もちろん起こります。
ただし、どれほど大きな影響になるかは、発射するものの運動量と機体の質量によって変わります。
■60トンのザクがマシンガンを撃ったら？
例えば、質量60トンのザクを考えてみます。
ザク・マシンガンは120mm口径として描かれることが多い武器です。
ただし、弾丸の質量や初速には設定上の不明点があるため、ここでは仮の数値で計算してみましょう。
弾丸の質量を10キログラム。
初速を秒速800メートル。
この条件で発射すると、弾丸の運動量は8,000kg・m/sになります。
ザクの質量は60,000キログラム。
単純に計算すると、弾丸一発の発射によって生じるザクの後退速度は、
8,000 ÷ 60,000 ＝ 約0.133m/s
となります。
時速にすると約0.48キロメートルです。
大した速度ではないように感じるかもしれません。
しかし、宇宙空間では空気抵抗による減速をほとんど期待できません。
姿勢制御や推進による修正をしなければ、その速度変化は残ります。
しかも、マシンガンは連射する武器です。
同じ方向へ撃ち続ければ、反動による速度変化が積み重なっていきます。
つまり、宇宙空間でマシンガンを撃ち続けるザクは、少しずつ後退していく可能性があるわけです。
ただし、これは弾丸だけを考えた単純化した計算です。実際の反動には発射ガスなども関係します。
■では、ビームライフルはどうなのか？
ここからが本題です。
ガンダムのビームライフルは、実弾を発射する銃とは仕組みが異なります。
宇宙世紀のビーム兵器は、ミノフスキー粒子に関わる技術を利用した荷電粒子ビームとして設定されています。
つまり、現実のレーザー光線と完全に同じものではありません。
そのため、ビームライフルの反動を正確に計算するには、発射される粒子の質量、速度、運動量などが必要になります。
しかし、そうした数値は十分に明らかではありません。
そこで、まず現実の光を使った兵器を仮定して考えてみます。
光にも運動量があります。
例えば、100万ジュールの光エネルギーを一方向へ放出した場合、その運動量はエネルギーを光速で割った値になります。
約0.0033kg・m/sです。
60トンの機体に与える速度変化は、極めて小さなものになります。
つまり、純粋な光を発射する兵器なら、発射エネルギーが非常に大きくても、反動は比較的小さいのです。
一方、質量を持つ粒子を発射するビーム兵器では、粒子の速度や質量によって反動が変わります。
したがって、宇宙世紀のビームライフルについては、単純に「反動がない」とは言い切れません。
ビーム兵器の反動は、何を、どれだけの速度で発射しているかによって決まる。
これが物理学的な答えになります。
■宇宙では、反動によって機体が回転する
さらに面白い問題があります。
それは、回転です。
モビルスーツが銃を撃つとき、必ずしも機体の重心を通る方向へ発射するとは限りません。
例えば、右腕を伸ばしてビームライフルを構えている場合。
発射による反動が機体の重心から離れた位置に作用すると、機体を回転させる効果が生じます。
これをトルクといいます。
地球上では、足裏と地面の摩擦によって姿勢を維持できます。
しかし、宇宙空間ではそうはいきません。
反動によって機体が回転し始める可能性があります。
しかも、回転運動も、外部からトルクを受けなければ続きます。
つまり、宇宙空間で銃を撃つという行為は、単に後退するだけではなく、機体の姿勢を乱す可能性もあるわけです。
これは、モビルスーツの射撃精度に大きく関係しそうです。
■なぜガンダムは、撃つたびに回転しないのか？
では、作中のガンダムはなぜ安定して射撃できるのでしょうか。
考えられるのは、姿勢制御システムの働きです。
モビルスーツには、姿勢を調整するためのスラスターや各種制御機構があります。
射撃によって反動が発生した場合、機体の姿勢を補正する必要があるでしょう。
例えば、右腕でビームライフルを撃つ。
発射の瞬間に機体が回転しようとする。
その動きを検知し、姿勢制御装置が修正する。
こうした制御が行われていると考えれば、作中の安定した射撃にも一定の説明がつきます。
ただし、これは物理学から考えた推測であって、すべての機体で射撃反動を自動補正していると公式に説明されているわけではありません。
それでも、モビルスーツが宇宙空間で戦うためには、射撃と姿勢制御を連動させる仕組みが非常に重要になるはずです。
宇宙で正確に撃つためには、武器の性能だけでなく、機体全体の制御能力が必要になる。
そう考えると、射撃シーンの見方が少し変わってきます。
■反動を利用して移動することはできるのか？
ここで、少し変わったことを考えてみます。
宇宙空間で銃を撃つと後退する。
ならば、その反動を移動に利用できるのでしょうか。
理屈の上では可能です。
例えば、機体の進行方向とは反対側へ実弾を発射すれば、その反動で前方へ加速します。
これは、ロケットの推進原理と共通する考え方です。
ただし、実用性には問題があります。
弾薬を消費する。
推力の方向が限られる。
射撃によって姿勢が乱れる。
そして、武器としての本来の用途と両立しにくい。
専用のスラスターを使う方が、はるかに制御しやすいでしょう。
それでも、弾薬の発射が機体の運動に影響するという点は興味深いものです。
例えば、スラスターが故障したモビルスーツが、最後の手段として実弾の反動を利用する。
そんな場面があっても、物理法則に反しているわけではありません。
もっとも、どれほど移動できるかは、弾薬の質量と発射速度次第です。
■宇宙戦闘では、武器の配置が重要になる
ここまで考えると、モビルスーツの武装配置にも疑問が生まれます。
なぜ、武器を手で持つのでしょうか。
腕で構える方式では、重心から離れた位置で反動が発生する可能性があります。
一方、機体の中心軸に近い位置へ武器を固定すれば、回転を生じさせる反動を小さくできるかもしれません。
例えば、胸部中央に固定された武装。
あるいは、機体の重心を通る方向へ発射する構造。
こうした設計なら、射撃時の姿勢制御が比較的容易になる可能性があります。
もちろん、武器の照準範囲や持ち替えの自由度など、別の問題も生まれます。
しかし、宇宙空間に特化した兵器を設計するなら、武器の配置と反動の関係は重要な検討事項になるでしょう。
宇宙で強い兵器とは、威力が高いだけでなく、撃ったあとも狙いを維持できる兵器なのかもしれません。
■ガンダムの戦闘は、見えない制御の連続なのかもしれない
ガンダムの宇宙戦闘を観ていると、モビルスーツが自由自在に動いているように見えます。
加速する。
減速する。
方向転換する。
武器を構える。
射撃する。
敵の攻撃を避ける。
しかし、物理学の視点から考えると、これらはすべて複雑な制御を必要とする動作です。
特に宇宙空間では、慣性が重要になります。
一度動き始めた機体は、何もしなければその運動を続けます。
一度回転し始めた機体も、何もしなければ回転を続けます。
つまり、パイロットが行っているのは、単に機体を動かすことだけではありません。
機体の運動を管理することでもあるわけです。
そして、その裏側では、コンピューターや姿勢制御装置が膨大な計算を行っていると考えられます。
そう考えると、ガンダムがビームライフルを一発撃つだけでも、実は高度な技術が使われているのかもしれません。
■しめ
宇宙空間でビームライフルを撃ったら、ガンダムは後ろに飛ばされるのか。
物理学的には、発射するものが運動量を持つ以上、反動は発生します。
ただし、その大きさは武器の仕組みによって異なります。
実弾兵器では、弾丸の質量と速度が重要になります。
純粋な光を発射する兵器では、反動は非常に小さくなります。
宇宙世紀のビーム兵器では、発射する粒子の性質によって反動が変わるため、正確な評価には追加の情報が必要です。
そして、宇宙空間で重要なのは、反動による後退だけではありません。
機体の回転。
照準のずれ。
姿勢制御。
こうした問題も考える必要があります。
つまり、宇宙での射撃性能は、武器単体では決まらないわけです。
宇宙で正確に撃つということは、機体全体の運動を制御するということ。
これが、今回の結論です。
……。
ちなみに、僕が宇宙空間でザクに乗っていたとして。
敵を発見。
ザク・マシンガンを構える。
勢いよく連射。
そして、反動で少しずつ後退。
気がつけば、敵との距離がどんどん離れている。
……。
これでは、攻撃しているのか撤退しているのか分かりませんね（笑）。
今日はここまで。それでは、また別のお話で。