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(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]
  • (物理学において) 物体の状態(運動)を変化させる原因となる作用。物体間の相互作用とも[4][5]

自然哲学[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。古代より思索が重ねられてきた。


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『自然哲学の数学的諸原理』(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、

\boldsymbol{F} = {dm\boldsymbol{v} \over dt} (= m\boldsymbol{a})

という式で表したのである。

古典力学における力[編集]

古典力学
歴史

force
Mehaaniline töö.png
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)
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定義[編集]

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)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。

力の定義に対する批判[編集]

力は物理学の根幹にかかわるものであるが、力の定義づけは自明ではないともいわれる[4]。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定義した。つまり、それぞれの定義が独立していない、という批判である[4]

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)。[要出典]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][要出典]

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。[要出典]

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。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。[要出典]

NASAのサイトでは「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。

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 40 km/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]

力の合成dT と力dN を合成した力dF は平行四辺形の法則によって対角線として計算できる

力の合成とは、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ことを言い、また分解は、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。

分類[編集]

連続体力学などの分野では、力は次の2つに分類される。

面積力
面を通して作用し、その大きさが面積に比例する力[10]。表面を横切る微視的な運動量流束とも言え[11]表面力とも呼ばれる。物体の面を介して作用するので近接作用力である[12]。例としては圧力応力表面張力などが挙げられる。
体積力
物体の体積に比例する力[13]物体力とも呼ばれる。物体には直接触れずに作用する力なので遠隔作用力である[12]。例として重力遠心力コリオリ力電磁力などがある。

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]

  1. ^ デジタル大辞泉
  2. ^ デジタル大辞泉
  3. ^ デジタル大辞泉
  4. ^ a b c 「【力】」『三訂版物理学辞典』 培風館、2005年
  5. ^ 物体の速度を変化させる原因になる作用、とも。小出昭一郎 『力学』 p18、岩波書店、1997年
  6. ^ 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』)
  7. ^ 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
  8. ^ 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。
  9. ^ 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
  10. ^ 巽友正 『流体力学』 培風館、1982年、30-31頁。ISBN 4-563-02421-X 
  11. ^ Joel H. Ferziger; Milovan Perić; 小林敏雄、谷口伸行、坪倉誠訳 『コンピュータによる流体力学』 シュプリンガー・フェアラーク東京、2003年、5頁。ISBN 4-431-70842-1 
  12. ^ a b 京谷孝史、非線形CAE協会編、 『よくわかる連続力学体ノート』 森北出版、2008年、31頁。ISBN 978-4-627-94811-2 
  13. ^ 今井功 『流体力学 前編』 (24版) 裳華房、1997年、13頁。ISBN 4-7853-2314-0 

参考文献[編集]

  • 「【力】」『三訂版物理学辞典』 培風館、2005年
  • 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]