アイススケーターが物理法則を驚異的なスピンに変える方法

多くの人は角運動量についてあまり知らないかもしれませんが、それはそれで構いません。では、フィギュアスケーターはどうでしょうか？角運動量の概念を理解しているかどうかは関係ありませんが、彼らはそれをスケートの定番技の一つで使っています。あなたも見たことがあるでしょう。スケーターは立った状態からスタートし、垂直軸を中心に回転します。数回転した後、スケーターは両腕を体に引き寄せ、回転速度を上げます。物理学では、これを角運動量保存則と呼びます。

単なる例として、氷上ではなく回転プラットフォーム上で実行された同じ操作を示します。

実は、こんなことを一人でも試せるんです。回転する椅子かスツールに座りましょう。腕を伸ばした状態で回し、最後に腕を内側に引き寄せます。吐かないように注意してください。

では、角運動量とは一体何なのでしょうか？簡単に言うと、計算可能で保存可能な量のことです。これは難しい定義なので、保存量の例として、質量（ほとんどしか保存されない）を挙げてみましょう。例えば、酢に重曹を加えたとします。実際に試したことがある人なら、混合物が泡立ち、ガスが発生するのがわかるでしょう。しかし、ここからが面白いところです。最初の物質（酢と重曹）の質量を測ると、最終的に得られる物質（二酸化炭素、水、酢酸ナトリウム）の質量と同じになります。なんと、質量は保存されるのです。前後で同じなのです。

質量は必ずしも保存されるわけではないことを指摘しておかなければなりません。核反応では、反応前の物質の質量が反応後の物質の質量と必ずしも等しくなっているわけではありません。しかし、エネルギー（そしてエネルギーに質量を含める）について考えると、エネルギーは保存されます。

さて、角運動量についてです。角運動量は、回転する物体について計算できる量です。角速度（回転速度、記号ωで表される）と慣性モーメント（記号Iで表される）の積です。ほとんどの人は角速度の概念を理解していると思いますが、慣性モーメントはもう少し複雑です。基本的に、慣性モーメントは物体の特性であり、回転軸の周りの質量の分布に依存します。回転軸から離れた場所に質量が大きいほど、軸に近い場所にある場合よりも慣性モーメントは大きくなります。

超簡単なデモをご紹介します。ご自宅でも試していただけます。ジュースの入った箱をテープで貼り付けた棒が2本あり、両方の棒（とジュース）の質量が同じになるようにしています。ただし、違いがあります。片方の棒はジュースの入った箱を棒の両端にテープで貼り付けており（慣性モーメントが高い）、もう片方の棒は棒の中央にテープで貼り付けられています（慣性モーメントが低い）。では、これらの棒を前後に回転させるとどうなるか見てみましょう（質量は同じであることを覚えておいてください）。あ、もっと面白くするために、慣性モーメントの高い棒を力の強い女の子に渡しました。また、このデモのより長いビデオバージョンはこちらです。

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では、復習しましょう。角運動量は、物体の角速度と質量分布の両方に依存します。この角運動量は、トルク（ねじり力）を加えることで変化しますが、外部トルクが加わらない場合、角運動量は保存されます。

さて、アイススケーターの話に戻りましょう。垂直回転の姿勢では、系にかかるトルクはごくわずかです（氷は滑りやすく、スケートは回転軸に近いため）。つまり、角運動量は一定値に保たれるはずです。しかし、腕を体に近づけるなど、何かを変えるとどうなるでしょうか？これは慣性モーメントを減少させます。角運動量は一定に保たれなければならないため、角速度は増加しなければなりません。これが角運動量を保存する唯一の方法です。

楽しみのために、同じ動きを別の角度から（上から）見てみましょう。