回転と落下

　普段、常識だと思っていたり、当然のように知っている事でも、見方を変えると新たな発見や気づきがあったりします。

　特に、全く別の事象だと思っていたことが、実は本質的に同じであるとわかると、何か世の中の真理に近づいたような感じがして、感動したりします。

●月は地球に落ち続けている？

　確か小学校だか中学校だかで、国語の教科書に書いてあったのですが、こんな風に表現した人がいたそうです。

　普通、

「月は地球の周りを回っている」

と言いますが、「落ち続ける」とはどういう事でしょう。これを理解するには、重力というものの本質をよく分かっている必要があります。

　改めて言うまでもありませんが、「落ちる」というのは、

「上」から「下」に向かって物が移動する事

だとほとんどの人は認識していると思います。しかし、別の言い方をすると、

「重力」によって地球に引き付けられる

という事でもあります。

　これをもっとわかりやすいように、具体的に

世界各地でボールを手から離して地面に落とす

事を考えます。すると、投げるなどしなければ「真下」に落ちます。

　そして当然ですが、これは日本であってもオーストラリアであっても、イギリスでもロシアでも同じです。どこでも「真下」に落ちます。

　ここでグーっとカメラをひいて、地球の外からこの現象を見てみましょう。宇宙からその様子を記録すると、地球は丸いので、ボールが地球の中心に向かっているように見えるはずです。

　質量がある物体は、他の物体をその中心（重心）に向かわせる力が働くという事がわかります。これを、「中心力」といいます。

　それでは、「月が地球に落ち続けている」ということを考えてみます。月と地球の間には、「万有引力の法則」が働いているわけですが、これは

「質量のあるもの同士が、ある力で引き合う」

というものです。

　この法則に従うと、「月と地球が引き合う」

ということが言えるのですが、月は地球の約 1/80 の質量なので、ほとんど月が地球に引かれている状況です。

●月の由来

　月が地球の衛星になった経緯は、いろいろな説があります。

「地球の一部が千切れて周回軌道に乗った」

とか、

「もともと地球と一緒に生まれたとか」

です。

　その中で、

「巨大な隕石が衝突して、その破片が集まって地球の周回軌道に乗った」

というのが、一番有力な説だそうです（下図）。

おそらく地球と月の自転方向や、自転速度と公転速度の関係から考えても、それが一番納得がいきます。

　さて、ここで

隕石が衝突して地球から離れていくとき

の事を考えます。ニュートンの「慣性の法則」から、

宇宙のように何も力が働かない空間では、

静止している物体は静止し続け、

ある速度で直線運動をしていた物体はその運動を継続します。

　という事は、地球に衝突して運動の方向は変わりますが、その後は何も力が働かなければ、また一定の速度で地球から真っすぐ遠ざかります。

　しかし、地球に近い場所では「地球の引力」が働きます。

　反対に、もし隕石が衝突して、地球に対して止まってしまったら、

地球の引力によって地球に落ちてくるだけです。

　しかし、巨大隕石ですから、地球に衝突しただけでは止まりません。

　結局、地球から遠ざかる方向に直線運動をしながら、

地球の引力に引かれる、つまり「落ちる」事になります（下図）。

　　月に働く力は、地球の引力による「中心力」です。つまり、

月は、周回軌道の接線方向に等速直線運動をしながら、

「地球に落ち続ける」事で、公転を続けている

と言えるわけです。

●回転運動の本質

　これは、回転運動をするのに必要な要素で、

「接線方向の速度」と、

「それに直交して中心に向かう向心力」

という事になります。

　向心力が0であれば、ただの等速直線運動です。

　接線向の速度が０であれば、ただの自由落下になります

　等速運動をしながら、向心力が働くことで、回転運動をして「落ち続ける」ということになるわけです。

　おそらく、すでに力学の円運動をはじめから知っていれば、月が地球の周りを回る現象について、特に不思議に思わないかもしれません。しかし回り始めた時を考えると、この「落ち続ける」という視点がとても腑に落ちる表現で、回転運動についても、より理解が深まった気がしました。

　次回は、太陽系の惑星の運動について考察したいと思います。