ごめんなさい、サンドラ・ブロック：消火器は下手な推進器です

宇宙にいる宇宙飛行士だとしましょう。持ち物は知恵と…消火器だけ。なぜ消火器？映画『ゼロ・グラビティ』でサンドラ・ブロック演じる主人公が消火器を持っているからです。消火器はガスを噴射するので（通常は火を消すために）、推進力を生み出し、宇宙での移動を助けることもできます。しかし、本当に効果があるのでしょうか？私が科学コンサルタントを務める怪しいニュース番組「MythBusters」が、最近のエピソードでそのことを検証しました。

怪しい伝説の怪しい伝説の制作者たちは、まず地球上で同じような状況を作り出すことに挑戦しました。彼らはリーフブロワーを使って一人乗りのホバークラフトを製作しました（自作するのはそれほど難しくありません）。そして、それをアイススケートリンクに飛ばし、摩擦力をほぼゼロにしました。次に、消火器の推進力を利用して、氷上での操縦を試みました。

消火器はホバークラフトの運動制御にはあまり役に立たないことが判明しました。氷上に設置された障害物を避けることは誰にもできませんでした。消火器スラスタの問題は2つあります。1つ目は、ホバークラフトにそれほど大きな力をかけられないことです。そのため、動きに顕著な変化を与えるには、かなりの時間、推力を発生させる必要があります。2つ目は、力が物体の運動を変化させる仕組みが、力に関する私たちの基本的な直感と一致しないことです。この2つ目の点が、宇宙で消火器を飛行させることを困難にしているのです。

人生全体を振り返ることで、力がどのように物を動かすのか、良いモデルを得ることができます。さあ、今すぐやってみましょう。あなたが観察したほぼすべての出来事において、力は次の法則に従っているようです。

何かを押すと、押した方向へ動きます。押すのをやめると、動きが止まります。

この力のモデルは、ほぼ常に機能しているように見えます。しかし、氷の上のホバークラフトではうまく機能しないケースが一つあります。この場合、ホバークラフトを押して動かそうとします。その後、人が押すのをやめても、ホバークラフトは動き続けます！正直なところ、人間が氷を好むのはそのためだと思います。氷の上の物体は、私たちが通常想定している力のモデルには従わないのです。

「力は運動に等しい」というこのモデルは氷上では機能しないため、明らかに最良のモデルではありません。ここでは、3つのGIF画像を使って、より優れた力のモデルを説明します。

絶え間ない前進力

低摩擦（ほぼ摩擦なし）のカートを一定の力で押してみましょう。何が起こるか見てみましょう。

分かりにくいかもしれませんが、カートの速度が上がっています。正直なところ、人間は速度の変化を感知するのが難しいです。通常、私たちは動きを「動いていない」「遅い」「速い」の3つのカテゴリーに分類します。でも、信じてください。このカートは速度が上がっています。つまり、物体をその移動方向と同じ方向に力で押すと、速度が上がるのです。

一定の逆方向の力

こちらは同じカートですが、今度はファンが逆方向に押しています。カートを少し押すと、このような現象が発生します。

この場合、後ろ向きの力がカートの速度を低下させます。カートは減速しすぎて最終的に停止します。停止すると、カートは右方向に戻り始め、速度を上げます。これは、後ろ向きの力が作用しているからです。

横方向の力

カートではできなかったので、代わりにヨーヨーを使いました。円を描いて動いているヨーヨーを上から見たところです。

ヨーヨーにかかる力は紐から発生し、常にヨーヨーの動きに対して垂直方向に引っ張られています。つまり、ヨーヨーはほぼ一定の速度で動いているにもかかわらず、常に方向を変えているということです。紐を放すとどうなるでしょうか？横方向の力がなくなるため、ヨーヨーは再び一定の速度（ほぼ一定）で直線的に動き始めます。

これら3つのケースに共通するものは何でしょうか？力は常に物体の運動を変化させます。物体の速度を増減させたり、方向を変えたりします。もちろん、これは物理学における基本的なモデルの一つです。物体に作用する力の総量は速度の変化率に比例する、というものです。

では、なぜ人間はここまで勘違いしてしまうのでしょうか？模型を作るのはそれほど苦手ではないのですが、摩擦を力として捉えるのが難しいのです。摩擦はどこにでもあるので、一定の力で押すと一定の速度で動くと考えてしまいます。しかし実際には、この場合、正味の力はゼロです。押す力と摩擦力が釣り合い、実質的に力は発生しません。力が存在しないということは、動きに変化がないということです。それでも、常に存在する摩擦によって動きが起こっているのです。

独自の力モデルをテストする

分かりました。怪しい伝説の番組「MythBusters」がホバークラフトに消火器を取り付けてテストしていた時、あなたは現場に立ち会えなかったんですよね？ご心配なく、私もそこに行けませんでした。でも、次善策として消火器シミュレーターがあります。そう、あなたのために作ったんです。

仕組みはこうです。「実行」ボタンをクリックすると、大きな円盤が右へ動き始めます。消火器から矢印の方向に一定の力がかかっています。マウスを使って、矢印を最適な方向に動かすことができます。さあ、壁を避けられますか？チャンスです！

このプログラムについては、まだいくつかコメントがあると思います。

覚えておいてください、矢印は力の方向です。消火器を向ける方向ではありません。
よろしければコードをご覧ください。注意：ボタンやマウス操作などを追加すると、混乱してしまいます。
一時停止ボタンとリセットボタンが機能するはずです。
コードには壁を通り抜けることを妨げるものは何もありません。壁もスプーンもありません。ただ飾りとしてあるだけです。
いいえ、消火器を止めることはできません。20秒間作動し続けます。

壁を避けるのは不可能ではないものの、決して簡単ではないことがお分かりいただけると思います。もしホバークラフトが回転していたらどうなるか想像してみてください。これはとてつもなく難しいでしょう。消火器の推力を重心に向けずに使うことで、ホバークラフトの回転速度を変えることができます。すると、外力とトルクの両方が作用することになります。ただし、これをコーディングするのは少し難しいので、その部分は省略しました。

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