英語で学ぶ理系科目シリーズ Ep1. "Motion Along a Straight Line"

みなさんこんばんは

キョウトジンです。

今日は記念すべき新シリーズの第一回目、"Motion Along a Straight Line"を「英語で」解説していきたいと思います！

Displacement, Velocity, Acceleration

まずはじめに、"Motion Along a Straight Line"とはどういう意味でしょうか？

これは日本語に訳すと、「直線運動」となります。高校物理で最初に習う内容ですね。直線上のみを動くObject(物体)を考えましょうということですね。Two dimensions, three dimensions(２次元、３次元）での運動もこの直線運動を組み合わせたものなので、物理を学びたい方はこの基礎部分をしっかり押さえておきましょう。

この直線運動を数式で表現するために、昔の物理学者たちはDisplacement, Velocity, Accelerationという３つの要素を用いました。ここではそれぞれについて簡単に説明してから、その使い方を見ていきます。

・Displacement（変位）

この直線運動でまずはじめに出てくるのがDisplacementです。これはParticleがどこにあるのか、ということを表す情報です。x軸についての原点の距離(Coordinate)という意味で、xという文字を用いて表されることが多いです。原点から負の方向(negative direction)についてもマイナスの符号をつけて表すことができます。

・Velocity（速度）

Velocityは単位時間あたり（1 hour, 1 minute, 1 second, etc)のDisplacementの変化を表します。ある一定の時間（Δt=t2-t1, delta t）の間の変位をΔx(=x2-x1)とすると、Velocityは（数式上ではvと書かれることが多い）

v=Δx/Δt 

で表すことができます。ただし、Speed（速度）と違ってマイナスの値を取ることができることに注意しましょう。Velocityがマイナスのときはx軸に対して負の方向に変化していることを表します。（Δxがnegative numberをとるため）

・Acceleration（加速度）

Accelerationは加速度、つまり単位時間あたりのVelocityの変化を表します。Velocityを求めた時のように、ΔtあたりのVelocityの変化をΔv(=v2-v1)とすると、加速度は（数式上ではa)

a=Δv/Δt

となります。

P1からP2までのDisplacementが258m, そこまでにかかった時間(Time Interval)が4.0-1.0=3.0s.　そこからVelocityが求められる。

点P1からP2へ移動した時、Velocityがv1からv2へと変化している。（Acceleration)

　この加速度の変化(Change in Acceleration)も求めることができますが、それはほとんど出てこないので、名前もありません。Displacement, Velocity, Accelerationがわかっていれば、ほとんどの問題を解くことができます。

Motion with Constant Acceleration

　そして、高校物理でまずよく見る問題のほとんどが、Motion along Line with Constant Acceleration（等加速度直線運動） です。その名のとうり、AccelerationがConstant、つまり変化しない時の運動を考える、という問題です。以下によく使う公式(formula)をのせておきます。

　小さく０とついている文字はInitial displacement, velocity, acceleration、つまりt=0における変位、速度、加速度を表します。

　そして何もついていないのがTargeted variable,求めたい変数になります。(VelocityとAccelerationに小さくxがついているのは、x軸における速度と加速度という意味です。）わかっている情報と求めたい情報を元に、上の式を使えばスムーズに問題を解くことができます。

　ただ、この公式はあまり覚えるものでありません。高校レベルのDifferentiation, Integration(微分積分）がわかっていれば瞬時に作れるものなので、公式の作り方も英語で学んでみたい人は、このサイト(p13-)を見てみてください。

Free Fall

　Free Fallとは自由落下のことです。次回の物理回で詳しく話そうと思いますが、Newton's second law of Motion（ニュートンの運動第二法則）により、力は加速度に比例するとされています。(The forces on the object is proportional to the acceleration of the object.) そして、我々は地球との間にGravitation（重力）を生じています。

　そして、その重力による加速度、Gravitational Accelerationが常に空を舞うObjectに発生します。常に発生しているので、物体が自由に落ちる、だからFree Fallと呼ばれているんです。Gravitational Accelerationはgと表されることが多く(g≒9.8[m/s^2])、Vertical direction(鉛直方向）に働くので、さきほどのx軸とは違ってy軸が用いられることが多いです。y軸をVertically upward(鉛直上向き）にとると、Gravitational Accelerationは常にマイナスの値をとります。

　この情報から、高さ何m(displacement)にある物体が、地面0mに落ちるまで、自由落下した時何秒かかるかという問題も、Accelerationがわかっているので解くことができます。

ここまで、直線運動を見てきましたが、どうでしたでしょうか。見返してみると、もうすでに学んだ人にはわかりやすいが、まだ学んでいない中学生などにはわかりにくい内容になってしまったかもしれません...(これから改善していきます...)

それに、ルー大柴のようになっていて、きちんと伝わっているか不安ですが、こんな感じで来週以降も続けて行きたいと思います！

また、僕自身こうやって文章にするより、話しながら教える方が得意なので、わかりにくいという声があればYoutubeでこのシリーズをやっていくかもしれません。乞うご期待！

来週は生物の細胞構造について「英語で」解説したいと思います！

それではおやすみなさーい

キョウトジン

[参考画像]

"University Physics with Modern Physics" 14th Edition, Young and Freedman, Chapter 2より抜粋