立教大学は6月6日、「体重が重い人ほど滑り台を早く滑るのはなぜか」という、一見もっともらしいものの、物理学的には“自由落下の一様性”から見ると不思議な謎を、卒業研究のテーマとして探求し解明したことを発表した。
同成果は、立教大 理学部の村田次郎教授、同・塩田将基学部生(研究当時)らの研究チームによるもの。詳細は、日本物理教育学会の刊行する物理全般を扱う公式学術誌「物理教育」に掲載され、査読前プレプリントが「Jxiv」で公開されている。
もし空気抵抗がなければ、物体を落下させると、羽毛のように軽いものであれ、鉄球のように重いものであれ、「自由落下の一様性」により同じ時間をかけて地面に落下する。この性質は、ガリレオ・ガリレイが行ったピサの斜塔での実験でも知られている。
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自由落下の一様性。重いものも軽いものも、同じ加速度で落下する。慣性の大きさも重力も質量に比例するためだ。摩擦のある斜面を滑る時も、摩擦力は質量に比例するため、同じ加速度で滑るはずだ。(出所:立教大Webサイト)
この性質があるならば、自由落下ではなく摩擦の働く斜面を物体が滑り落ちる際であっても、摩擦力が質量に比例するため、重力と摩擦力の比も質量によらず一定となり、斜面を滑る加速度はやはり一定になるはずだ。しかし現実には、大人と子どもが滑り台を滑ると、大人の方が速いことがある。動摩擦係数は質量と速度によらず一定のはずだが、なぜか現実世界の滑り台では、矛盾が生じているように見えることが起きるのである。
以前、村田教授は「カーリングの石がなぜ曲がるか」という研究成果を発表した際、そこでは氷と石の間の動摩擦係数が一定ではなく速度によって変化することが決定的な役割を果たしていることを発見した。そこで、今回の滑り台の件も同種の問題であると考察したという。
今回は、立教大の近くにある公園のローラー式の滑り台を用いた実験が行われた。滑らせる物体は段ボール箱で、これをカメラで撮影することで物体の運動が記録された。物体には照明を取り付け、これがよく目立つよう、夜間に観測を行ったとする(児童の遊びを妨げない狙いもあった)。また重い人が速いのか、大きい人が速いのかという条件が混乱しないよう、同じ段ボール箱の中に水の入ったペットボトルを入れて、その本数を変えることで質量依存性を調査したとしている。そして実験で得られた結果は、当初ははっきりとは予想されていなかったものだったとのことだ。
