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Category: 法則
Type: 古典力学の法則
Origin: 物理学、1687年、アイザック・ニュートン
Also known as: 作用・反作用の法則、ニュートンの運動の第三法則
先に答えると — ニュートンの第三法則は、ある物体が別の物体に力を及ぼすとき、2番目の物体は1番目の物体に等しい力を逆向きに及ぼすと述べています。この原則は、ロケットがどのように推進するかから、なぜ歩行が可能かまで、あらゆることを説明します。

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ニュートンの第三法則（Newton’s Third Law）とは

ニュートンの第三法則は、すべての作用に対して等しく逆向きの反作用があると述べています。物体Aが物体Bに力を及ぼすとき、物体Bは同時に物体Aに等しい力を逆向きに及ぼします。
「すべての作用には常に等しい反作用が対抗する。つまり、2つの物体の互いへの作用は常に等しく、反対の方向を向いている。」
この法則は直感に反します。作用・反作用ペアの力は異なる物体に作用するためです。壁を押すと、壁はあなたに等しい力で押し返します。しかし、壁が動かないため、あなたの力が「消えた」ように見えます。重要な洞察は、作用と反作用の力は常に異なる物体に作用するということであり、それが運動の観点でそれらが打ち消し合わない理由です。

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ニュートンの第三法則を3つの深さで理解する

  • 初心者: 何かを押すと、それは押し返します。歩くと、足は地面を後ろに押し、地面は足を前に押します。地面を遠ざけているのではなく、地面を蹴っているのです。
  • 実践者: 工学において、自らを推進するすべてのシステム（ロケット、ジェット機、ボート、車）は、一方向に質量を放出することで反対方向に力を発生させます。推力は質量流量と排気速度の積に等しくなります。
  • 上級者: この法則は、運動量とエネルギーの保存に根本的な意味を持っています。素粒子物理学では、「接触力」でさえ原子間の電磁気的相互作用として理解されます。量子レベルでの作用・反作用です。

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起源

アイザック・ニュートン（1643年–1727年）は、1687年に記念碑的な著作『自然哲学の数学的原理』（通称『プリンキピア』）で第三法則を発表しました。この著作は古典力学の基礎を築きました。 第三法則は、ニュートンの運動の体系的な分析から生まれました。ガリレオらの以前の研究を踏まえ、ニュートンは力が作用する下で物体がどのように動くかを記述する3つの法則を定式化しました。第三法則は特に革命的でした。力を物体が「持っている」ものではなく、物体のペア間で交換されるものとして導入したからです。 この法則は今日では自明に思えますが、思考の profound な転換を表していました。ニュートン以前、科学者は力を物体が孤立して持つものと見なすことがよくありました。作用・反作用の枠組みは、天体力学から工学まであらゆるものを理解するために不可欠になりました。

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要点

1

作用・反作用ペア

力は常にペアで存在します。物体Aが物体Bに力を及ぼすなら、物体Bは物体Aに等しく逆向きの力を及ぼします。これら2つの力は作用・反作用ペアを形成します。
2

異なる物体

作用と反作用の力は異なる物体に作用します。これが、運動の観点でそれらが打ち消し合わない理由です。一つの力は物体Aに影響し、もう一つは物体Bに影響します。
3

同時性

力は同時に発生します。「先行する」力はありません。作用と反作用は正確に同じ瞬間に発生します。
4

保存の基礎

ニュートンの第三法則は運動量保存の基礎です。これがなければ、運動量は衝突で生成または破壊される可能性があります。

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応用場面

ロケット推進

ロケットはガスを高速で下方に放出します。等しく逆向きの反作用がロケットを上方に押します。空気は必要ありません。ロケットは真空中でも機能します。

歩行と走行

歩くとき、あなたは地面を後ろに押します。地面はあなたの足を前に押し、あなたを前進させます。摩擦が不可欠です。

水泳

水泳選手は腕と足で水を後ろに押します。水が押し返し、泳者を前に進めます。これが、真空中で水泳が不可能な理由です。

銃器の反動

弾丸が前方に発射されると、銃は等しい力で後方に反動します。重い銃は同じ弾丸質量に対して反動が小さくなります。

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事例

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スペースシャトルの開発

スペースシャトルプログラムは、工学におけるニュートンの第三法則の劇的な例を提供しています。各シャトルの打ち上げは、大規模なスケールでこの法則を実証しました。 スペースシャトルの3つのメインエンジンは液体水素と液体酸素を燃焼させ、毎秒約160万ポンドの排気ガスを時速6,000マイル以上で下方に放出しました。ニュートンの第三法則によれば、排気ガスへの下向きの力は宇宙船への等しく逆向きの上向きの力——これが推力——を生み出します。 2つの固体ロケットブースターはそれぞれさらに260万ポンドの推力を追加し、作用・反作用をさらに実証しました。合わせて、システムは離陸時に700万ポンド以上の推力を発生させ、シャトルを8分ちょっとでゼロから軌道速度（時速約17,500マイル）まで加速させました。 興味深いことに、エンジニアは推力だけでなく、より多くのことを考慮する必要がありました。シャトルが燃料を消費するにつれて質量が減少し、変化する質量が加速度にどのように影響するかの注意深い計算が必要でした。単純な作用・反作用の原則を厳密に適用することで、人類の宇宙への旅が可能になりました。

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限界と失敗パターン

ニュートンの第三法則には重要な考慮事項があります。
  1. すべての見かけの力が等しく逆向きというわけではない: この法則は直接的な相互作用から生じる力に適用されます。例えば、向心力は異なる物理的起源から生じ、標準的な意味での作用・反作用ペアを形成しません。
  2. 接触における理想化: 完全な接触が仮定されます。実際の材料では、変形、エネルギー損失、非瞬時の力の伝達が単純な図を複雑にする可能性があります。
  3. 遠距離の電磁力: 現代物理学は、物体間の電磁力が巨視的レベルで単純なプッシュ・プルとして必ずしも現れないことを認識しています。
  4. 相対論的効果: 光速に近い速度では、単純な定式化には修正が必要です。法則は依然として成り立ちますが、相対論的補正が必要です。

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よくある誤解

訂正: 作用・反作用ペアの力は異なる物体に作用するため、打ち消し合いません。それらが同じ物体に作用するなら、打ち消し合うかもしれませんが、それは作用・反作用ペアではなくなります。
訂正: ニュートンの第三法則は、重力や電磁気学を含むすべての力に適用されます。物体は直接接触しなくても互いに力を及ぼすことができます。
訂正: 力は同時です。「最初の」作用はありません。それらは正確に同じ瞬間に発生し、単一の相互作用を形成します。

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関連概念

ニュートンの第三法則は、物理学、工学、運動の理解におけるいくつかの関連するアイデアにつながっています。
  • 運動量保存: ニュートンの第三法則の直接的な結果。作用と反作用の力が物体間で運動量を転送するため、運動量はすべての相互作用で保存されます
  • ニュートンの第一法則: 慣性の法則。物体は力が作用しない限り、静止または運動状態を維持します。第三法則と合わせて、力がどのように運動の変化を引き起こすかを説明します
  • ニュートンの第二法則: F = ma（力は質量×加速度）。この法則は、物体への正味の力がどのように加速度を生み出すかを定量化します
  • エネルギー保存: 閉鎖系において、エネルギーは生成も破壊もされず、形態を変えるだけであるという原理
  • 角運動量（Angular Momentum）: 回転運動における運動量に相当するもの。作用・反作用の原理の回転 аналог

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一言で言うと

世界に及ぼすすべての力に対して、世界は等しい力で押し返します。この単純な対称性は、歩行からロケット工学まで、すべての運動の根底にあります。