消防士の窓キャッチの奇妙な物理法則

スーパーヒーローは実在するのか？もしかしたら、そうかもしれない。最近公開されたこの動画では、ラトビアの消防士が窓から落ちてきた男性をキャッチしている。はっきり言っておく。私は物理学をかなり理解しているが、このキャッチは不可能に思えるかもしれない。しかし、これは現実なのだ。

状況はこうです（私の知る限り）。窓にぶら下がっていた男（実際には、落下してきたのは男性だという噂だけです）が、そのまま落下しました。消防士たちは彼を捕まえる適切な方法を準備していましたが、まだ準備が整っていませんでした。当然、唯一の解決策は落下する彼を捕まえることです。被害者は消防士より一つ上の階から落下したようです。少なくとも私はそう推測します。それでは、いくつか質問と回答をお願いします。

人間はどれくらいの速さで動いていたのでしょうか?

これは古典的な物理学の問題です（生徒たちはちゃんと聞いてくれているといいのですが）。物体（または人間）は静止状態から始まり、重力の影響を受けて落下を始めます。もし重力だけが人間に作用する唯一の重要な作用であれば、その人は9.8 m/s ²の一定加速度で落下することになります。つまり、自由落下の1秒ごとに、人間の速度は9.8 m/sずつ増加するということです（ヒント：9.8 m/sはかなり速い速度で、約22 mphです）。

人間が落下している時間がわかれば、速度は毎秒一定量ずつ増加するので、簡単に測定できます。しかし、落下距離は概算でしか算出できません。もちろん、これは物理学における小さな障害に過ぎません。実際、一定の加速度で一定の距離を移動した物体の速度を与える運動方程式が存在します（平均速度と加速度の定義から簡単に導出できます）。しかし、物体が静止状態からyの距離移動した場合、最終的な速度は次のようになります。

はい、落下距離が長いほど速度も速くなります。今回の場合、落下距離は約3メートルと推測します（あくまで推測ですが）。そうすると、落下速度（この言葉は正しいでしょうか？）は約7.7メートル/秒になります。もしかしたら、落下距離がもう少し短い2メートルなら、窓際の速度は6.3メートル/秒になります。いずれにせよ、速いですね。

この人間を捕まえるのはどれくらい難しいでしょうか？

転ぶのに超人的な力は必要ありませんが、転んでいる人を止めるには超人的な力が必要になるかもしれません。ここで鍵となるのは力の性質です。物体にかかる正味の力は、その物体の運動を変えます。この場合、落下する人間には 2 つの力が作用します。まず、下向きに引っ張る重力があります。この力は、重力場 (g = 9.8 ニュートン/キログラム) と人間の質量 (実際の質量はわかりません) によって決まります。2 つ目の力は、消防士が人間をキャッチする際に押し上げる力です。動きの変化も上向きになるように、全体の力 (これら 2 つの力の合計) は上向きでなければなりません。つまり、人間 (キャッチ中) は減速することになります。それが私たちが求めているものです。

人間の質量は推定できますが、消防士の力はどうでしょうか？力と運動を扱う基本的な考え方は2つあります。1つ目は運動量原理です。これは、力、運動量（質量と速度の積）、そして時間の関係です。2つ目は仕事エネルギー原理です。これは、力、エネルギー、そして変位を扱います。つまり、人間を捕まえるのにかかる時間を推定したいのか、それとも人間が捕まえられた距離を推定したいのか、ということになります。私は距離と仕事エネルギー原理を使うことにします。

仕事エネルギー原理の超簡単な入門編です。まずは仕事について見てみましょう。仕事とは、系にエネルギーを加えたり、系からエネルギーを奪ったりする方法です。仕事は、力の大きさと物体の運動方向の両方に依存します。例えば、人間がこのキャッチ中に距離dを移動するとします。この場合、重力は正の仕事（変位と同じ方向に引っ張るため）を行い、消防士は負の仕事（運動と反対方向に押し上げるため）を行います。

しかし、エネルギーはどうでしょうか？このシステム（落下する人間だけ）では、エネルギーは運動エネルギーという1種類のみしかありません。運動エネルギーは、落下する人間の質量と速度の両方に依存します。人間に与えられた仕事の総量によって運動エネルギーがゼロになり（人間が停止する）、停止するという考え方です。さて、これらをまとめると、次のようになります（はい、細かい点をいくつか省略しました）。

推定速度は既に（上記から）わかっているので、あとは人間の質量と停止距離が必要です。仮に、この人間はそれほど大きくなく、おそらく50キログラム程度だとしましょう。停止距離については、消防士が落下する人間を掴み、停止するまでに約1.5メートル移動するようです。これらの値から、消防士が人間に加える必要がある力は1,478ニュートンになります。ヤードポンド法で計算すると、約330ポンドになります。大きな力ですが、不可能ではありません。それでも、片手で操作できるのはかなりすごいですね。

ああ、それと、消防士が約1500ニュートンの力で人を引っ張ると、その人が消防士を同じ力で反対方向に引っ張るということも忘れないでください。つまり、ヒーローは建物から引きずり出されて犠牲者と一緒に落ちてしまわないように、窓枠につかまらなければなりません。確かに消防士にはハーネスが着けられているように見えますが、張力はかかっていないように見えます。それでも、私の心の中では彼はスーパーヒーローです。

最後に一つコメントがあります。この力を推定するために仕事エネルギー原理を用いたので、エネルギーに関する重要な注意事項を付け加えておくのが良いでしょう。覚えておいてください。エネルギーは実在するものではありません。単に計算できるものであり、多くの状況で保存できるものです。さあ、言いましたよ。

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