スーパーマンがビルを持ち上げる方法は物理学の茶番

2019年2月4日午前10時

スーパーマンがスーパーパワーを使って建物を持ち上げるのは大歓迎だ。しかし、ここで本当に語るべきは彼のテクニックだ。

スーパーマンがどうしてあんなに強くて、空を飛べて、X線視力も持っているのかを、標準的な物理法則で説明するのは無理がある。彼の行動のほとんど全ては不可能だ。でも、まあ、それでいい。こういう現実の歪曲は構わない。それがスーパーヒーローの面白さなんだ。面白くするために、完全にリアルである必要はない。

でも、時々、どうしても腑に落ちないことがあります。映画『ジャスティス・リーグ』のあるシーンを見てみましょう。細かいことは気にしないでください（ストーリーをネタバレしたくないので）。ある場面で、フラッシュとスーパーマンは、破壊されそうな町でたくさんの人々を救おうとしています。フラッシュは、フラッシュらしく、何人かの人を乗せたピックアップトラックを押してしまうのです。彼は猛スピードで走り、人々は安全な場所にたどり着きます。やった！でもちょっと待ってください。スーパーマンの方がすごいんです。数人を救うどころか、建物を丸ごと担いで町から飛び出してしまうんです。

ここが問題なんです。スーパーマンが飛べるのは構わないんです。巨大な建物を運びながら飛べるのも構わないんです。いや、私が心配しているのは、彼がどうやってそれを運ぶかなんです。

彼が建物と一緒に飛んでいる様子をイラストで描いてみましょう。

この状況には、実は2つの物理的な問題があります。繰り返しますが、スーパーマンの部分（飛行と持ち上げ）については問題ありません。問題は圧力です。圧力とは、（スーパーマンが）加える力と接触面積（スーパーマンの手の大きさ）の比率です。

スーパーマンの手と建物の間の圧力を大まかに見積もることから始めましょう。まず、建物の質量を見積もってください。この建物の寸法は 15 x 15 x 40 メートル (大まかに見積もった値) とします。これにより、容積は 9,000 立方メートルになります。では、質量はどうでしょうか? これからやることを説明します。目を閉じて、この建物が水に浮いている (水漏れなし) のを想像します。なぜ浮いている建物が重要なのでしょうか? 建物の 3 分の 1 が水に浮いている場合、建物の密度は水の 3 分の 1 になります。水の密度は 1 立方メートルあたり 1,000 キログラムなので、建物の密度は約 333 kg/m ³になります。容積と密度がわかれば、建物の質量を求めることができます。

この質量に重力場（g = 9.8 N/kg）を掛け合わせると、下向きに引っ張る重力を計算できます。つまり、スーパーマンは約3000万ニュートンの力で押し上げなければならないということです。確かに、これは非常に大きな力ですが、まあ、彼はスーパーマンですから。だからこそ、彼の名前には「スーパー」が冠されているのです。

スーパーマンが建物を押し上げる力がわかったので、圧力も計算できます。必要なのは、彼の手の接触面積を推定することだけです。スーパーマンの手が大きいと仮定しましょう。それぞれの手の接触面積は、おそらく1辺が15センチメートルの正方形です。そうすると、総接触面積は0.045平方メートルになります。これと力を加えると、接触圧力は670メガパスカル（MPa）になります。そうです、とてつもなく大きな圧力です。

特定の材料は、ある最大値までの圧力しか耐えられないことが分かっています。この値は圧縮強度と呼ばれます。圧縮強度の圧力値を超えると、材料は破損し、破損したり、崩壊したり、あるいは何か他の悪影響が生じます。レンガの圧縮強度はわずか80MPaで、スーパーマンでも押しつぶせるでしょう。花崗岩の圧縮強度は130MPaです。鋼鉄でさえ、おそらく破損するでしょう。

建物の底に何があるのかは分かりませんが、スーパーマンが底から押し上げたら、突き抜けてしまうんじゃないかと想像しています。きっとぎこちないでしょうね。建物を持ち上げたいのに、突き抜けてしまうんです。まるでつまようじでカップケーキを持ち上げようとするようなものです。そう、実は私もこれをやったんです――あなたのために。（もう一口食べちゃいましたよ。）

ほらね？それはうまくいかない。スーパーマンと建物でも同じことが起こる。

でも待ってください！想像以上に厄介な問題があります。スーパーマンがこの建物を運ぶには、もう一つ問題があります。建物の中央に何かがあって、彼が底を突き破って床を壊すのを防いでいると仮定しましょう。それでも建物は持ち上げられません。

スーパーマンが建物の中央を持ち上げるとしたら、建物の端は何によって持ち上げられるのでしょうか？答えは、建物の他の部分が端を支えているということです。力の図を使って、私の言っていることを理解してもらいましょう。建物の2つの異なる部分に働く力を見てみましょう。

建物の左側にあるブロックには、基本的に2つの力が働いています。まず重力による下向きの力、そしてこの部分が平衡状態を保つためには上向きの力が必要です。この上向きの力は、この部分に接続されている他の部分から生じます。

今度は建物の中央部分を見てください。ここにも下向きの重力が働いています。しかし、建物の他の部分からも下向きに押す力があります。そうです、力は対になって作用するのです。建物のある部分が左側の部分を押し上げると、その左側の部分は他の部分を押し下げなければなりません。これは想像以上に厄介なことです。中央に近づくにつれて、建物のより多くの部分を支えなければならなくなります。最終的に、この内部力は非常に大きくなり、建物自体の構造力を超えてしまいます。

ちょっと待ってください。もう一つデモがあります。小さな物体をいくつか繋げて使ってみましょう。今回はコルクをワイヤーで繋ぎ合わせています。小さな建物のようなものです。この「建物」を中央から支えるとどうなるか見てください。