岩がフロントガラスに当たったのでしょうか、それともフロントガラスが岩に当たったのでしょうか?

2025年2月21日午前9時

どちらにしても、これはひどい。でも、少なくとも修理工場に座っている間に、面白い物理学について考えさせられるのは確かだ。

車を運転していて、気を紛らわせていると…チーン！何かがフロントガラスにぶつかりました。予期していなかったのに、ガラスが割れてしまいました。一体どこから来たんだろう？なぜフロントガラスに当たったんだろう？

いつも言っているように、モデル化できなければ理解することはできません。そこで、ちょっとした思考実験をしてみましょう。まずは、あなたの前にいる誰かが道路に物を落とすという基本的なシナリオから始め、それを実現するために必要なものを見てみましょう。

跳ねるボールを追う

さて、時速30マイル（約48キロ）で目の前を走る車を想像してみてください。後部座席の子供がバウンドボールを手に取り、窓から落とします。なぜこんなことをするのでしょうか？子供がなぜそんなことをするのか、誰にも分かりません。道路脇にいる人から見れば、こんな感じに見えるでしょう。

予想通りですか？ボールは跳ね上がりますが、車と一緒に動き続けます。これは、ボールを放した時の水平方向の速度が車の速度と同じだからです。唯一変わるのは垂直方向の速度です。重力の影響でボールは地面に当たるまで下向きに動き、地面に当たると上向きに跳ね返ります。ご覧の通り、後ろの車には当たりません。

ああ、でも空気抵抗はどうでしょう？確かに、ボールが空気中を移動すると、空気分子と衝突します。これにより、反対方向の力が生じます。この抵抗の大きさは、ボールの速度と大きさに依存します。適切な値を代入すると、ボールの動きは次のようになります。

これでボールは予想通りの挙動を見せます。水平方向の速度が下がり、元の車の後ろに落ちます。それでもフロントガラスに当たることはありません。空気抵抗と地面との衝突によるエネルギー損失により、跳ね返るたびに少しずつ高さが下がります。大丈夫でしょう。

ロックアウト

さて、子供が窓から石を落としたとしましょう。子供たち！あるいは、砂利を積んだトラックが、砂利の一部を隙間から滑り落としたとしましょう。石が道路に落ちると、その動きはいくつかの点で変化します。まず、石と道路の間に摩擦力が働き、石の水平方向の速度が低下します。上で見たように、遅いのは良くありません。

2 番目は、奇妙に思えるかもしれませんが、岩石は不規則な形をしているため、回転して舗装道路にぶつかり、最初よりも高く跳ね上がる可能性があります。

ちょっと待って！それって法則違反じゃない？エネルギー保存の法則、知ってる？いいえ、エネルギーの伝達だよ。回転しながら動いている岩石は、回転エネルギーと並進（直線）エネルギーの両方を持っている。衝突によっては、回転エネルギーが並進エネルギーに変換され、岩石はより高く跳ねる。高く跳ねるのは良くない。

それは次のようになります:

例えば、時速70マイル（約110キロ）で高速道路を走行しているとします。すると、その軌道の頂点に岩が浮かんでいます。岩は一瞬静止していますが、あなたは静止していません。裁判所はこう認識してください。岩はあなたに当たったのではなく、あなたが岩にぶつかったのです。しかし、結果は同じです。どちらにしても、フロントガラスを交換する必要があります。

ロックンロール

それはあり得るシナリオですが、もし前方にトラックがいなかったらどうでしょうか？実際には、フロントガラスの損傷のより一般的な原因は、路上に転がっていた石が他の車によって跳ね上げられることです。その石が後ろの車に跳ね返ると思うかもしれませんが、それは正しくありません。石は後方へは移動しないからです。

想像してみてください。車輪が道路を転がっていて、タイヤの溝の間に石が挟まります。石が地面に接触すると、石は静止します。その様子はこんな感じです。

もし岩が地面に接触した瞬間に落ちたらどうなるでしょうか？その時点では、地面に対する岩の速度はゼロです。ただの道路上の無意味な石ころに過ぎません。大したことではありません。

でも待ってください！もし石がタイヤにもう少し長くくっついて、ゴムのたわみなどで外れたらどうなるでしょうか？この場合、石はかなりの上向きの速度を持つ可能性があります。ここでお見せしましょう。こちらは車輪の回転速度が速いので、アニメーションを少し遅くしています。

これはまずい。この岩は水平方向の速度がほとんどないまま上昇している。つまり、空中に留まり、次の車がぶつかるのを待っていることになる。確かに、岩は大型トラックのタイヤのトレッドに挟まる可能性が高い。だからこそ大型トラックには泥よけが付いているのだ。あのゴム製のフラップは、ハンドルの後ろに垂れ下がっている。

フロントガラスを交換するのは大変ですよね。でも、覚えておいてください。おそらく車が岩にぶつかったのでしょうから、岩のせいではないんです。飛び散る岩を避けたいですか？実は簡単です。後ろに下がること！車間距離を詰めすぎないこと。