力
力（ちから）とは、
- 人や動物に備わっている、自ら動き、または他の物を動かす働き[1]。
- ものごとをなすときに助けとなるもの[2]。
- ききめ[3]。
- （力学において）force: 自由物体の動きを変化させたり、あるいは固定物体に応力を起こす、外部から影響をもたらすもの[4]。
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概説 [編集]
力という概念は、何かに内在すると想定されている場合と、外から影響を及ぼすと想定されている場合がある。
力というのは「古典力学の最大の弱点[5]」と言われる概念であり、しばしば議論の対象となり批判される概念である。
自然哲学 [編集]
古代ギリシャ [編集]
プラトンは物質はプシュケーを持ち運動を引き起こすと考え、デュナミスという言葉に他者へ働きかける力と他者から何かを受け取る力という意味を持たせた。
アリストテレスは『自然学』という書を著したが、物質の本性を因とする自然な運動と、物質に外から強制的な力が働く運動を区別した。
6世紀のピロポノスは、物質そのものに力があると考えた。
アラビアの自然哲学者ら（アラビア科学）の中にはピロポノスの考えを継承する者もいた。
ビュリダン、ステヴィン、ド・ラ・イール、デカルト [編集]
14世紀のビュリダンは、物自体に《インペトゥス》（＝いきおい）という力が込められているとして、それによって物の運動を説明した。これをインペトゥス理論と言う（Theory of impetus）
力の合成と分解を最初に扱ったのは1620年に没したベルギーの数学者で工学者とされるシモン・ステヴィン（Simon Stevin、1548-1620）である。その後、フランスの数学者、天文学者であるフィリップ・ド・ラ・イール（1640 - 1718）は数学的な形式を整え、力をベクトルとして表すようになった。
ルネ・デカルトは渦動説（Cartesian Vortex）を唱え、空間には隙間なく目に見えない何かが満ちており、物が移動すると渦が生じている、とし、物体は渦によって動かされている、と説明した[6][7]。
アイザック・ニュートン [編集]
現代の力学に通じる考え方を体系化した人物として、しばしばニュートンが挙げられる。ニュートンはガリレオ・ガリレイの動力学も学んでいた。またデカルトの著書を読み、その渦動説についても知っていた（ただしこの渦動説の内容ついては批判的に見ていた）。
アイザック・ニュートンは「力の平行四辺形の法則」を1665年から1666年にかけて見出した。これは後に古典力学の基本法則となることになった。
ニュートンはその著書『プリンキピア』（1687年刊）において、物体の運動における運動量の時間に関する変化率（微分）が「力」に相当する、とし、運動の法則として定式化した。力を F, 物体の質量、速度、加速度をそれぞれ m, v, a とすると、
という式で表したのである。
古典力学における力 [編集]
力というのは「古典力学の最大の弱点」とされる概念である[5]。 《力》という概念は曖昧なのである[5]。アイザック・ニュートンは彼が提唱したニュートン力学において力という概念を用いたとき、力という概念と質量という概念をひとつの式（F = ma）の中で同時に書くことでかろうじて定義したにすぎない[5]。つまりこれでは同義反復が起きてしまっている[5]。力の値は、何かしら質量が与えられてようやく定まるが、ところがその質量はと言うと、どこかで力の値が与えられないと定まらない、という関係になっており、実は概念同士の堂々巡りが起きているのである。
また、ニュートンが、『自然哲学の数学的諸原理』で“離れていても外的に働く力”である万有引力を公表した時は、同時代に大陸側で活躍していたライプニッツ（およびライプニッツ派の人々）から、「ニュートンはオカルト・フォースを持ち込んでいる」と激しく非難された（「オカルト」というのは、見ることも触れることもできない存在のことであるが、力というのは確かに見ることも触れることもできない存在なので、オカルトと呼ばれても仕方ない面をもつ概念なのである）。人というのは生まれつきの素朴な感覚としては、物の動きについては、その物自体の内的な力が変化するか、他の物が目に見えてぶつかったり人などが手で押さないと変化しない、という認識を持っている。そうした素朴な理解に立ちつつ、デカルトは空間に物質が満ちていて渦を作り回りこんで押すから変化するのだ、と説明した。これが渦動説である。
（18世紀後半～19世紀前半頃に西欧で科学と呼ばれるある種の知識が生まれた、と科学史家らによってされる訳だが）、その「科学」では、人間の眼に見えることや肉体的に感覚できることを重視し、反対に肉眼に見えないことや肉体で感覚できないことは軽視して言説から除こうとする考え方が1つの大きな流れとしてあった。肉眼で見えないことの実在を信じられない人々は、そうした目に見えないことに関する記述を「形而上的」と呼びつつ遠ざけた[8]。
こうした考え方を特に徹底して行おうとする人々にとっては、（物体の《位置》という概念ならば、眼で見え測ることができるので、受け入れることができると思われたが）、物体に働いているとされた“力”なるものについては、実際には誰も見たことも無いし、手で触れたこともないので、受け入れたくない概念であった。エルンスト・マッハやG.Rキルヒホフは、「運動の説明に“力”という得体の知れない概念を持ち込んでいる」と述べて、それを嫌い、力という概念を一切排除した力学を自ら構築した[5]。
また19世紀末の科学界で隆盛を誇っていたオストヴァルトらのエネルギー論からも、古典力学的“力”の概念は盛んに批判された[5]。さらに電磁気学が成立すると、電磁気的自然論からも古典力学的“力”の概念は批判された[5]。
マッハらの努力があったものの、結局、現代の科学教育の場では科学を学ぶ初学生たちに古典力学（ニュートン力学）を重要科目として教えている。肉眼に見えないことを排除したいとする立場からすると、本来的には目に見えない《力》というのは認めたくないものなのだが、それにもかかわらず、よりによって「科学」の基礎の部分（科学を学ぶ者の多くがまず習得する古典力学）の中心部に、その《力》という概念がどっかりと位置をしめてしまっていて、肉眼に見えないことを排除したいと感じている者にとっては、自己矛盾が露呈しているような状態で悩ましい状態なのである。
上記のような事情により、《力》（ちから）という概念は、現在でも説明はすっきりしない。NASAのサイトでも「自由物体の動きに変化を起こしたり、あるいは固定物体に応力を与える基となるagent（エージェント）[9]」といった説明になっている。
定義 [編集]
| 古典力学 | ||||||||||
| 歴史 | ||||||||||
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| 力 force |
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|---|---|
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| 量記号 | F |
| 次元 | M L T −2 |
| 種類 | ベクトル |
| SI単位 | ニュートン (N) |
| CGS単位 | ダイン (dyn) |
| FPS単位 | パウンダル (pdl) |
| MKS重力単位 | 重量キログラム (kgf) |
| CGS重力単位 | 重量グラム (gf) |
| FPS重力単位 | 重量ポンド (lbf) |
上述の通り、《力》という概念については“定義”といっても不完全な定義しかできない。
古典力学では、「力」という概念が導入されるのと同時に、このときの加速度と力の比例係数として質量（慣性質量）という概念が導入されている。
古典力学では、力は物体（あるいは場）の間で行われる相互の運動量の交換を示すものとされており、ベクトル量として表現されている。力の時間による積分（力積）は物体の運動量の変化量に等しい、とされる。つまり、運動が変化することと 力が作用することとは等価である、とされているのである。
力の釣り合い [編集]
ある物体に2つ以上の力が作用しているにもかかわらず、その物体の速度が変化しないとき、力が釣り合っていると言う。例えば、自動車が時速 40km/h のまま直進しているとき、車体にかかる力は釣り合っている。この時、エンジン等によって動かされた車輪が加速しようとする力と車軸や空気の摩擦によって減速しようとする力が釣り合っている、と考えるのである。
力と微積分 [編集]
速度の変化する物体の解析には数学の微積分がよく用いられる。これは、数学の微積分が力と加速度の関係の考察によって生まれた概念だからである。
力の合成と分解 [編集]
ある点に働く複数の力を1つの同等な効果の力として表す、または、逆にある点に働く1つの力を複数の力による同等な効果の力にすることを言う。2つの力の合成や1つの力を分解するための手続きは《平行四辺形の法則》を用いる。なおこの法則は広くベクトル量に対して一般的に用いられているものであり、力に限ったものではない。
例えば、一定の加速度aを持つ列車内で進行方向に向かって進むと、まるで上り坂を登るような感覚を感じる。これは、後方に慣性力 ma、下方に重力 mgが掛かり、この2つの力を合成した合力が後方斜め後ろを向いている為、と解釈できる。
その後の物理学での力 [編集]
SI単位系では、力の単位名としてはアイザック・ニュートンに敬意を表する形で「ニュートン」が用いられている。
素粒子物理学 [編集]
近年では、「自然界の全ての力は、万有引力、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用の4つに還元できるはずだ」と信じている科学者も多い（⇒基本相互作用）。
脚注 [編集]
- ^ デジタル大辞泉
- ^ デジタル大辞泉
- ^ デジタル大辞泉
- ^ Glossary - Earth Observatory, NASA
- ^ a b c d e f g h 「【力】」『改定版物理学辞典』 培風館。
- ^ Julian Barbour, The Discovery of Dynamics: A Study from a Machian Point of View of the Discovery and the Structure of Dynamical Theories 2001. ISBN 0-19-513202-5 （ジュリアン・バーバー『動力学の発見』）
- ^ 内井惣七 『空間の謎・時間の謎 - 宇宙の始まりに迫る物理学と哲学』 中公新書、2006年、ISBN 412101829X
- ^ ポジティヴィズム （=肉体的に感覚できるものだけを信じる動き）も参照可能。
- ^ Any external agent that causes a change in the motion of a free body, or that causes stress in a fixed body. Glossary - Earth Observatory, NASA
参考文献 [編集]
- 「【力】」『改定版物理学辞典』 培風館。
関連書 [編集]
- 山本義隆『磁力と重力の発見』みすず書房、2003
- ヨーゼフ・T・デヴレーゼ、ヒード・ファンデン・ベルヘ『科学革命の先駆者 シモン・ステヴィン―不思議にして不思議にあらず』朝倉書店、2009年
関連項目 [編集]
