ゼロからの高校物理 / 力学 / 運動の表し方

自由落下運動

このページは「等加速度直線運動」「等加速度直線運動(2)」の続きです。速度の式 v = v0 + at、位置の式 x = v0t + 12at2、時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax を使います。

公式

重力加速度g = 9.8 m/s²(大きさ。向きは鉛直下向き)
速度の式v = gt
位置の式y = 12gt2
時間を使わない式v2 = 2gy
約束下向きを正、放した点を原点(v0 = 0)

2〜4行目は、空気の抵抗を考えず、静かに放したとき(自由落下)の式です

1自由落下とは

空気の抵抗を考えずに、静かに放した物体が落ちる運動を、自由落下といいます。

同じ高さから、重い球と軽い球を、同時に静かに放します。重い球のほうが速く落ちそうな気がします。下の動画で確かめます。

空気の抵抗とは、物体が空気の中を動くときに、空気にじゃまされて動きにくくなることです。このページでは、空気の抵抗は考えません。空気の抵抗は、あとの単元で扱います。

「静かに放す」とは、押したり投げたりせずに、手を開いて放すことです。放した瞬間の速度は 0 です。つまり、初速度が v0 = 0 です。

このように落ちる運動を自由落下といいます。

下の動画では、重い球と軽い球を同じ高さから同時に放し、0.10 s ごとの位置を薄い残像で残しています。落ちるようすは、実際の 8 分の 1 の速さ(スローモーション)にしています。実際には、4.9 m を 1.0 s で落ちます。

0:00 / 0:15
重い球と軽い球を、同じ高さから同時に静かに放します(空気の抵抗は考えません)。0.10 s ごとの位置を、薄い残像で残しています。画面の t は実際の時刻です(動画は実際の 8 分の 1 の速さ)。

やってみよう

動画を最後まで再生して、終わりの画面を見てください。(1) 同じ時刻の残像は、横の点線で結んであります。重い球と軽い球の残像は、同じ高さに並んでいますか。(2) 残像の間隔は、上のほうと下のほうで、どちらが広いですか。

分かること

(1) どの残像も、2つの球で同じ高さに並んでいます。2つの球は、どの時刻でも同じ位置にあり、同時に床に着きます。(2) 下のほうが広いです。最初の 0.10 s は約 5 cm、最後の 0.10 s は約 93 cm 落ちます。同じ 0.10 s の間に落ちる距離が長くなっていくので、球はだんだん速くなっています。

確認

手で下へ軽く押し出してから放した球の運動は、自由落下ですか。

答え

いいえ。初速度が 0 ではないからです。

2重力加速度 g

自由落下の加速度は、どの物体でも同じ 9.8 m/s² で、これを重力加速度といいます。

糸におもりをつるしたときの、糸の向きを鉛直といいます。真下の向きを鉛直下向き、真上の向きを鉛直上向きといいます。自由落下する物体は、鉛直下向きにまっすぐ落ちます。

この資料では、自由落下の問題で、鉛直下向きを正の向きとします。物体を放した点を原点、放した時刻を 0 とします。「等加速度直線運動(2)」のページで斜面に沿って上向きを正の向きにしたように、正の向きは問題に合わせて決める約束です。

縦の向きの位置は、横の位置 x と区別して、y で表すことが多いです。y は「ワイ」と読みます。このページの y は、「放した点から下へ何 m の所にいるか」を表します。たとえば y = +4.9 m は、放した点から 4.9 m 下にいるということです。自由落下では、物体はずっと下へ進みます。だから y は、放してからそれまでに落ちた距離と同じです。

球を静かに放したときの、1 秒ごとの速度は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.03.0
速度 v(m/s)0+9.8+19.6+29.4

速度が + なのは、下向き(正の向き)に進んでいるからです。速度は、1 秒ごとに 9.8 m/s ずつ増えています。

1 秒ごとに速度が同じだけ増えるので、加速度は一定です。加速度を a = Δv / Δt で求めます。0 〜 3.0 s で、Δv = 29.4 − 0 = 29.4 m/s、Δt = 3.0 s です。a = 29.4 ÷ 3.0 = 9.8 m/s² です。加速度が一定のまま、まっすぐ下へ進むので、自由落下は等加速度直線運動です。

自由落下の加速度を重力加速度といいます。地球の重力によって物体が落ちるときの加速度です。重力加速度の大きさは、記号 g で表します。g は「ジー」と読みます。

g = 9.8 m/s²
g は重力加速度の大きさです。大きさなので、いつも正の数です。向きは鉛直下向きです。

このページでは下向きを正の向きにしたので、加速度は a = +g = +9.8 m/s² です。

上の表を、v-t グラフに点として打ちます。横軸が時刻 t、縦軸が速度 v です。たとえば点(2.0 s, 19.6 m/s)は、「放してから 2.0 s 後に、下向きに速さ 19.6 m/s で落ちている」という意味です。位置ではありません。点は、原点を通る右上がりの1本の直線の上に並びます。横に 1.0 s 進むと、縦に 9.8 m/s 上がります。だから傾きは 9.8 ÷ 1.0 = 9.8 m/s² で、加速度 g と同じです。グラフの線は、球が通った道ではありません。球は、まっすぐ下へ落ちているだけです。

自由落下の v-t グラフ。横軸は時刻 t(0 から 3.0 s)、縦軸は速度 v(0 から 30 m/s)。表の4点 (0, 0)、(1.0 s, 9.8 m/s)、(2.0 s, 19.6 m/s)、(3.0 s, 29.4 m/s) が、原点を通る右上がりの直線の上に並ぶ。1.0 s から 2.0 s の間に、1.0 s で速度が 9.8 m/s 増える段があり、傾き = 9.8 m/s²(重力加速度 g)と書いている 0 10 20 30 1.0 2.0 3.0 v [m/s] t [s] 1.0 s 9.8 m/s 増える 傾き = 9.8 m/s²(重力加速度 g) v (2.0 s, 19.6 m/s)

下向きを正の向きとしています。

項目1で見たように、重い球も軽い球も、同じように落ちました。だから、どの物体でも、自由落下の加速度は同じ g = 9.8 m/s² です。

放した瞬間、速度は 0 ですが、加速度は 9.8 m/s² です。0 ではありません。もし加速度が 0 なら、速度は 0 のまま変わらず、球は空中に止まったままになるはずです。加速度が 9.8 m/s² なので、放した次の 1 秒で、速度は 0 から 9.8 m/s に増えます。「等加速度直線運動(2)」のページで、折り返す瞬間の台車の速度は 0 でも、加速度は 0 ではなかったのと同じ考え方です。

確認

球を放した瞬間、速度は 0 です。このとき、加速度も 0 ですか。

答え

いいえ。加速度は 9.8 m/s² です。

3自由落下の3つの式

等加速度直線運動の3つの式に v0 = 0、a = g を入れると、自由落下の式 v = gt、y = 12gt2、v2 = 2gy になります。

自由落下は等加速度直線運動なので、前のページまでの3つの式がそのまま使えます。式は、次の3つのように変えます。

速度の式 v = v0 + at に、v0 = 0、a = g を入れます。v = 0 + gt なので、v = gt です。gt は g × t のことです。

v = gt

確かめます。t = 2.0 s なら、v = 9.8 × 2.0 = 19.6 m/s で、項目2の表と同じです。

位置の式 x = v0t + 12at2 で、x を y に書き換え、v0 = 0、a = g を入れます。y = 0 × t + 12gt2 なので、y = 12gt2 です。

y = 12gt2
y は落ちた距離です。12gt2 は 12 × g × t × t のことで、2 乗するのは t だけです。

時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax で、x を y に書き換え、v0 = 0、a = g を入れます。v2 − 02 = 2gy なので、v2 = 2gy です。

v2 = 2gy

1 秒ごとの速度と位置を、v = gt と y = 12gt2 で求めると、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.0
速度 v(m/s)0+9.8+19.6
位置 y(m)0+4.9+19.6

たとえば t = 2.0 s では、y = 12 × 9.8 × 2.02 = 12 × 9.8 × 4.0 = 19.6 m です。放してから 2.0 s 後に、放した点から 19.6 m 下にいるということです。

時間が 1.0 s から 2.0 s へ2倍になると、速さは 9.8 m/s から 19.6 m/s へ2倍になります。v = gt なので、速さは時間に比例します。

時間が 1.0 s から 2.0 s へ2倍になると、落ちた距離は 4.9 m から 19.6 m へ4倍になります。y = 12gt2 なので、落ちた距離は t2 に比例します。時間が2倍なら、落ちた距離は 2 × 2 = 4 倍です。

縦の物差し(上が原点で、下へ 0 から 45 m)の横を、球が落ちていく図。0.5 s ごとの位置に薄い残像を残す。球から下向きに、紫の速度の矢印(長さは速さに比例)と、橙の加速度の矢印(+9.8 m/s²、長さは一定)が出ている 加速度 +9.8 m/s²(一定)

下向きを正の向き、放した点を原点としています。空気の抵抗は考えません。紫の矢印は速度、橙の矢印は加速度です。単位が違うので、紫と橙の矢印の長さは比べられません。

速度 v m/s 位置 y m

やってみよう

時刻 t を 1.0 s から 3.0 s に変えてください。時間は3倍になります。位置 y の表示は何倍になりましたか。

分かること

+4.9 m から +44.1 m で、9倍です。時間が3倍なら、落ちた距離は 3 × 3 = 9 倍です。加速度の矢印は、どちらの時刻でも同じ長さです。

確認

自由落下の3つの式 v = gt、y = 12gt2、v2 = 2gy には、v0 が出てきません。なぜですか。

答え

静かに放すので、初速度が v0 = 0 だからです。v0 = 0 を入れると、v0 のついた部分(v0、v0t、v02)が 0 になって消えます。

例題

高い所から球を静かに放しました。放してから 1.5 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直下向きを正の向き、放した点を原点、放した時刻を 0 とします。
  2. 静かに放したので、v0 = 0 です。加速度は a = +g = +9.8 m/s²、時刻は t = 1.5 s です。
  3. 速さは、v = gt = 9.8 × 1.5 = 14.7 m/s ≒ 15 m/s です。
  4. 落ちた距離は、y = 12gt2 = 12 × 9.8 × 1.52 = 4.9 × 2.25 = 11.025 m ≒ 11 m です。
  5. 与えた数(9.8 と 1.5)が 2 桁なので、答えも 2 桁にそろえます。

答え: 速さ 15 m/s、落ちた距離 11 m

4高さから、落ちる時間と着く速さ

地面から高い所で放したときは、地面までの高さを y = 12gt2 の y に入れて落ちるまでの時間を求め、その時間を v = gt に入れて着く直前の速さを求めます。

地面から高さ 19.6 m の所から、球を静かに放します。高さは、記号 h で表すことが多いです。h は「エイチ」と読みます。ここでは h = 19.6 m です。放した点が原点で、下向きが正の向きなので、地面は y = +19.6 m の所にあります。だから、球が地面に着くのは、y = h になったときです。

位置の式 y = 12gt2 に、y = 19.6 m を入れます。19.6 = 12 × 9.8 × t2 なので、19.6 = 4.9 × t2 です。両辺を 4.9 で割ると、t2 = 19.6 ÷ 4.9 = 4.0 です。2 乗して 4.0 になる数は、2.0 と −2.0 です。時刻は 0 より後なので、正の 2.0 を選びます。t = 2.0 s です。

2 乗して 4.0 になる正の数を、√4.0 と書きます。√ は「ルート」と読みます。√4.0 = 2.0 です。文字で同じ計算をすると、h = 12gt2 の両辺を 2 倍して 2h = gt2、両辺を g で割って t2 = 2h / g です。だから、t = √2h / g です。数値で確かめると、t = √2 × 19.6 ÷ 9.8 = √4.0 = 2.0 s で、上と同じです。この形は覚えなくてもかまいません。y = 12gt2 に y = h を入れれば、いつでも求められます。

地面に着いたあとは、球は止まります。そこで、地面に着く直前の速さを求めます。落ちるまでの時間が分かったので、速度の式 v = gt が使えます。v = 9.8 × 2.0 = 19.6 m/s です。時間を使わない式 v2 = 2gy でも求められます。v2 = 2 × 9.8 × 19.6 = 384.16 です。19.6 × 19.6 = 384.16 なので、2 乗して 384.16 になる正の数は 19.6 です。v = 19.6 m/s で、v = gt と同じ答えになります。時間を先に求めていないときは、v2 = 2gy を使うと、時間を求めずに速さが分かります。

縦の物差し(上が原点で、下へ 0 から 45 m)と、選んだ高さ h の所に引いた地面の線。「放す」ボタンを押すと、球が原点から落ちて地面で止まり、着く直前の速さを紫の矢印とラベルで示す 地面 h = m

下向きを正の向き、放した点を原点としています。空気の抵抗は考えません。

落ちるまでの時間 — 着く直前の速さ —

やってみよう

高さ h が 4.9 m のまま「放す」を押し、落ちるまでの時間を読んでください。次に、高さ h を 44.1 m に変えて、もう一度「放す」を押してください。高さは 9 倍になります。落ちるまでの時間は何倍になりましたか。

分かること

1.0 s から 3.0 s で、3倍です。落ちた距離は時間の 2 乗に比例するので、高さが 9 倍でも時間は 3 倍です。

確認

高さを2倍にすると、落ちるまでの時間も2倍になりますか。

答え

いいえ。時間が2倍になるのは、高さが4倍のときです。高さが2倍なら、時間は約 1.4 倍です(19.6 m で 2.0 s、39.2 m で約 2.8 s)。

例題

地面から高さ 4.9 m の所から、球を静かに放しました。地面に着くまでの時間と、地面に着く直前の速さを求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直下向きを正の向き、放した点を原点、放した時刻を 0 とします。
  2. 地面は放した点から 4.9 m 下なので、地面に着くとき y = 4.9 m です。
  3. y = 12gt2 に入れると、4.9 = 12 × 9.8 × t2 なので、4.9 = 4.9 × t2 です。
  4. t2 = 4.9 ÷ 4.9 = 1.0 なので、t = 1.0 s です。
  5. 着く直前の速さは、v = gt = 9.8 × 1.0 = 9.8 m/s です。
  6. v2 = 2gy でも確かめられます。v2 = 2 × 9.8 × 4.9 = 96.04 で、9.82 = 96.04 なので、v = 9.8 m/s です。

答え: 時間 1.0 s、着く直前の速さ 9.8 m/s

練習問題

重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。どの問題も、鉛直下向きを正の向き、物体を放した点を原点、放した時刻を 0 とします。

パターン1 時刻から速さと落ちた距離(v = gt、y = 12gt2)

問1高い所から小石を静かに放しました。放してから 0.50 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。

答えを見る

速さ 4.9 m/s、落ちた距離 1.2 m

v0 = 0、a = +9.8 m/s²、t = 0.50 s。速さは v = gt = 9.8 × 0.50 = 4.9 m/s。落ちた距離は y = 12gt2 = 12 × 9.8 × 0.502 = 4.9 × 0.25 = 1.225 m ≒ 1.2 m

問2高い所から小石を静かに放しました。放してから 1.0 s 後から 2.0 s 後までの 1.0 s 間に、小石が落ちる距離を求めなさい。

答えを見る

15 m

1.0 s 後の位置は y = 12 × 9.8 × 1.02 = 4.9 m。2.0 s 後の位置は y = 12 × 9.8 × 2.02 = 19.6 m。この 1.0 s 間に落ちる距離は、後の位置 − 前の位置 = 19.6 − 4.9 = 14.7 m ≒ 15 m。最初の 1.0 s(4.9 m)より長いのは、だんだん速くなっているから

ボタンを押すと、図は時刻 t = 1.0 s(位置 +4.9 m)になります。

そのあと時刻 t を 2.0 s にすると、位置は +19.6 m になります。

パターン2 高さから時間と着く速さ(y = 12gt2、v = gt)

問3地面から高さ 78.4 m の所から、ボールを静かに放しました。地面に着くまでの時間と、地面に着く直前の速さを求めなさい。

答えを見る

時間 4.0 s、着く直前の速さ 39 m/s

地面に着くとき y = 78.4 m。y = 12gt2 に入れて 78.4 = 12 × 9.8 × t2 = 4.9 × t2。t2 = 78.4 ÷ 4.9 = 16 なので t = 4.0 s。着く直前の速さは v = gt = 9.8 × 4.0 = 39.2 m/s ≒ 39 m/s(v2 = 2gy でも、v2 = 2 × 9.8 × 78.4 = 1536.64 = 39.22 で同じ)

問4ある高さから小石を静かに放したところ、地面に着くまでに 2.5 s かかりました。放した点は、地面から何 m の高さにありましたか。

答えを見る

31 m

放した点から地面までの距離が、2.5 s で落ちた距離。y = 12gt2 = 12 × 9.8 × 2.52 = 4.9 × 6.25 = 30.625 m ≒ 31 m。時間から高さを求めるので、y = 12gt2 にそのまま t を入れればよい

図の位置 +30.6 m は、2.5 s で落ちた距離です。答えは2桁に丸めて 31 m です。

パターン3 速さと落ちた距離を結ぶ(v2 = 2gy)

問5小石を静かに放しました。小石の速さが 14 m/s になるまでに、小石が落ちる距離を求めなさい。

答えを見る

10 m

時間が分かっておらず、聞かれてもいないので、v2 = 2gy を使う。142 = 2 × 9.8 × y なので、196 = 19.6 × y。y = 196 ÷ 19.6 = 10 m

問6地面から高さ 50 m のビルの屋上から、小石を静かに放しました。小石が地面から 10 m の高さを通るときの速さを求めなさい。

答えを見る

28 m/s

地面から 10 m の高さは、放した点から 50 − 10 = 40 m 下なので、y = 40 m(地面からの高さ 10 m を y に入れないこと)。v2 = 2gy = 2 × 9.8 × 40 = 784。28 × 28 = 784 なので、v = 28 m/s

つまずきやすいところ

まとめ

公式

重力加速度g = 9.8 m/s²(大きさ。向きは鉛直下向き)
速度の式v = gt
位置の式y = 12gt2
時間を使わない式v2 = 2gy
約束下向きを正、放した点を原点(v0 = 0)

2〜4行目は、空気の抵抗を考えず、静かに放したとき(自由落下)の式です