映画で何かを見たからといって、自分でもやってみるべきではありません。例えば、走行中の列車の上を走る人間を例に挙げてみましょう。まず、それが本物かどうかは分かりません。初期の西部劇では、動く背景を使って偽の列車が動いているように見せていました。今ではCGIが使われています。あるいは、本物の列車を実際よりも速く見せるために、映画の再生速度を速めることもあるでしょう。
そこで質問です。列車の屋根の上を走って、車両から車両へと飛び移ることは可能でしょうか？それとも、空中にいる間に列車が前方へ急加速して、飛び出した場所の後ろに着地することになるのでしょうか？あるいはもっとひどい場合、車両間の隙間が前方へ移動し、通過する距離が長くなって、車両の間に落ちてしまうことになるのでしょうか？皆さん、これがスタントマンが物理学を学ぶ理由です。
アクションのフレーミング
そもそも物理学とは何でしょうか？基本的には、現実世界のモデルの集合体であり、力を計算し、物体の位置や速度がどのように変化するかを予測するために使用できます。しかし、基準となるフレームがなければ、何かの位置や速度を見つけることはできません。
部屋の中にボールを持って立っていて、その位置を知りたいとします。3次元空間の直交座標系を使って、ボールに(x, y, z)の値を与えることができます。しかし、これらの数値は原点と軸の向きに依存します。部屋の角を原点とし、隣接する2つの壁の底面に沿ってx軸とy軸、垂直上向きにz軸を取るのが自然です。この座標系（単位はメートル）を使うと、ボールは点(1, 1, 1)にあることがわかります。
もし友達のボブがそこにいて、ボールの位置を別の方法で測ったらどうなるでしょうか？もしかしたら、ボールが動き出す原点、つまり私の手の位置を原点として、初期位置を(0, 0, 0)にするかもしれません。それも理にかなっているように思えます。どちらが正しいか議論することもできますが、それは馬鹿げています。私たちは単に基準フレームが違うだけで、どちらも恣意的だからです。（心配しないでください。電車の話に戻ります。）
今、私はそのボールをまっすぐ空中に投げ上げます。0.1秒という短い時間の後、私の座標系ではボールの位置は(1, 1, 2)となり、1メートル上昇しました。ボブの位置も(0, 0, 1)と変化しています。しかし、どちらの座標系でもボールはZ方向に1メートル上昇していることに注意してください。つまり、ボールの上向きの速度は毎秒10メートルであることがわかります。
動く参照フレーム
さて、私がそのボールを秒速10メートル（時速22.4マイル）で走る列車に乗せたとしましょう。再びボールを真上に投げ上げます。どうなるでしょうか？私は車両の中にいるので、列車と一緒に移動する座標系を使用します。この移動する座標系では、私は静止しています。ボブは線路脇に立っているので（窓からボールが見える）、彼は静止座標系を使用し、その中で私は動いています。
レット・アラン提供
この場合、ボブと私はボールの位置と速度について意見が一致しません。私はボールがまっすぐ上下に動いていると言います。結局のところ、ボールは私の手に戻ってくるのですから。ボブはボールには垂直方向と水平方向の両方の速度があると言います。彼はボールが上下に動いているだけでなく、前方にも動いていると見ているのです。（これで私たちの大きな疑問へのヒントが得られましたか？）
実際、ボブの座標系では、ボールの水平方向の速度は電車と同じです。ボールが1秒間空中に浮いていれば、電車はその間に10メートル前進し、ボールも10メートル前進します。だからこそ、ボールは私の後ろに着地しないのです。ニュートンの第一法則：物体が静止しているか等速運動している場合、力を受けない限り、静止したまま、またはその速度で動き続ける。
これは慣性と呼ばれるものです。あなたも経験したことがあるでしょう。車の中に蓋のないコーヒーカップを置いて急ブレーキをかけると、車は止まりますがコーヒーはそのまま流れてダッシュボードに落ちてしまいます。これは、私たちが皆シートベルトを着用している理由です。
つまり、列車が一定速度で走行している場合、このモデルによれば、列車の上を走ったり、車両から車両へと飛び移ったりするのは、列車が静止しているときと同じくらい容易であるはずです。あなたが時速10マイル（車両を中心とした基準系）で走っているのに、列車が時速40マイル（約64キロメートル）で走っている場合、あなたの水平速度（静止系に基づく）は時速50マイル（約84キロメートル）になります。それでは簡単でしょう？実はそうではありません。だからこそ、スタントマンは必ずこの記事を最後まで読むのです。
ちなみに、ボブと私は異なる速度を測定していますが、ボールが重力によって同じ下向きの加速度を持っているという点では意見が一致しています。これは非常に重要です。加速度は物体に働く正味の力と直接関係しているからです。ニュートンの第二法則：F net = 質量 x 加速度。ボブの座標系と私の座標系はどちらも、それ自体は加速していないため、慣性系と呼ばれます。
物理モデルは慣性系でうまく機能するので、どの慣性系を選んでも問題ありません。ボブの地面に対する参照系は、走行中の電車の中の私の参照系と比べて優れているわけでも劣っているわけでもありません。
電車の上を走る
そうですね、等速で動いている電車は慣性系で、すべてが静止系と同じように動作します。私はただボールを投げているだけですが、電車のプラットフォームに座っていても、時速40マイルで走る鉄道車両に乗っていても、時速500マイルで飛ぶジェット旅客機に乗っていても、同じ感覚です。さらに、物理学的にも、実際には同じなのです。
でもちょっと待ってください！私たちのモデルには重要な点が欠けています。屋根の上にいると、空気抵抗が発生します。列車が時速20マイルで東に向かって走っている場合、屋根の上にいる人間にとっては、西に向かって時速20マイルの風が吹いているのと同じになります。列車の速度がそれほど速くなければ、問題はありません。しかし、風速が時速40マイル程度に達すると、歩くことも走ることもできなくなります。努力すれば、足が屋根に接触する摩擦力のおかげで、前に進むことはできます。しかし、空中に飛び上がった場合、どこに着地するかは保証できません。
もちろん、風のない車内であっても、窓の外を見なくても列車が動いていることはわかるでしょう。実際の列車は一定の速度で動いているわけではないからです。線路のわずかな凹凸や曲がり角でも速度は変動し、体でそれを容易に感じ取ることができるのです。
非慣性列車
もう少しこの考えについて考えてみましょう。定義上、速度には大きさ（速度）と方向があります（ベクトルです。もし意味が分からなければ、そう呼んでください）。列車の速度や方向が変わると、等速ではなくなり、これを加速と呼びます。確かに、物理学では速度を上げなくても加速することは可能です。
これは慣性系ではありません。この状況では、物体の動きを調べるのにF = maという法則をそのまま使うことはできません。これらの法則は慣性系でのみ機能します。この問題を解決する一つの方法は、「偽の力」を追加してニュートンの法則を再び適用できるようにすることです。この偽の力は慣性系の加速度に比例しますが、方向は逆になります。
あなたは非慣性系の中にいました。エレベーターに乗って加速し始めると、かごの中の座標系は非慣性系になります。この感覚を理解するために、脳はそれを床に押し下げる力、つまり体重が重くなっていると解釈します。ネタバレ：実際は重くなっているわけではありません。これは偽の力です。押し下げられているのではなく、引き上げられているのです。
車で急カーブを曲がる時にも同じようなことが起こります。方向転換も加速なので、車内は非慣性系です。左に曲がると右に押し出されるように感じるのはそのためです。しかし、これは間違いです！「遠心力」など存在しません。車は円弧の中心に向かって向心加速度を受けているのです。
同様に、電車も加速したり減速したり、曲がったりします。ガタガタと揺れ、高いところに行けば行くほどその揺れはひどくなります。本物の電車の上では、あらゆる方向から急加速を経験するでしょう。走れるでしょうか？ゆっくり走れるかもしれませんが、むしろよろめくような感じでしょう。線路が曲がるときは、誰かに横から押されながら前に走ろうとしているような感じでしょう。電車の屋根はたいてい傾斜していて、滑りやすいことをお伝えしましたか？
動いている電車に乗る
ええ、それでも電車の上を走りたいなら、実際に電車の上に乗る必要があります。もちろん、切符を買って梯子を登ることもできますが、高架とかから電車に飛び乗る方がクールじゃないですか？
でも待ってください。列車が秒速10メートル（時速22マイル）という緩やかな速度で走っていて、あなたが静止しているとしたら、あなたの速度（地面に対する速度）は、高架上で静止している時（0マイル）から、走行中の列車上で静止している時（時速22マイル）へと急激に変化しなければなりません。ここで2つの選択肢があります。1つ目は、飛び降りてうまくいくことを祈ることです。列車の進行方向とは反対方向に滑っていくことになります。十分な摩擦があれば、やがて滑らなくなります。そうでなければ、あなたは列車の後ろから落ちてしまいます。
でも、もしかしたら、普段履きのズボンを汚したくない、という人もいるかもしれません。そんな時は、別の方法があります。飛び降りる前に走り始めるのです。電車と同じ速度まで加速できれば（おそらく無理でしょうが）、飛び降りる時には既に適切な速度で動いているはずです。滑る必要はありません。スーパーヒーローがやっているのと同じやり方です。
まあ、スーパーパワーがない人には中間的な選択肢があるかもしれません。走ったり滑ったりするんです。秒速10メートルの電車に飛び乗る前に、5メートルの速度まで加速すれば、衝突時の速度差は小さくなり、生き残る可能性が高くなります。
レット・アラン提供
走行中の電車から降りる
なぜ電車の上に乗りたくなるのか、いまだによく分かりませんが、駅に着く前に降りたくなる時もあるでしょう。それほど驚くことではないかもしれませんが、電車から飛び降りるのは、電車に乗るのとほとんど同じです。問題は速度差です。
もう一度言いますが、選択肢は2つあります。一つは、ただ飛び降りて地面との相互作用で減速するというものです。列車の速度で水平方向に移動しているので、おそらく後悔するでしょう。（信じてください、すぐに基準フレームがずれてしまいます。）もう一つは、飛び降りる前に列車の後方に向かって走るというものです。こうすることで、地面に衝突する前に相対的な速度を落とすことができます。おそらく、転倒せずに着地できるほど速く走ることはできないでしょうが、もしそれができたら、きっとあなたはボスになれるでしょう。
もし私が電車から飛び降りるなら、湖にかかる橋を待つでしょう。水面に着地すると、水はあなたの動きとは反対方向にあなたを押します。この力の水平成分は摩擦と同じようにあなたを減速させますが、岩よりも柔らかいのです。水はあなたの垂直方向の動きを止めようと上向きに押し上げますが、水面に飛び込む際に減速する距離は長くなります。つまり、足が地面に着地したときよりも衝撃ははるかに緩やかになるということです。
この下車方法には一つ欠点があります。ずぶ濡れになってしまうことです。でも、もしそれがこの馬鹿げた電車での冒険の最悪の結果だとしたら、本当に感謝すべきです。
