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物理入門:「速度」とは何か?をシミュレーターで改めて確認・理解してみよう!

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速度の定義の解説!

物理を学んでいく中で、最も重要と言える概念が「速度」です。日常会話でも使うワードですが、この「速度」とは改めて考えてみましょう!

速度(速さ)の一般的な定義

速度(速さ)の定義は以下の通りです。これは小学校で習った式ですね!

速度(速さ)の定義

速度(速さ)
\( \displaystyle = (\frac{移動距離}{時間}) \)

距離を時間で割ることで、一定時間辺りに移動できる距離を計算出来るわけですね。同じ距離でもかかった時間が短いほど速いですし、同じ時間でも移動距離が長いほど速いわけですね。

物理での速度の定義

物理では、この定義をもう少し厳密にしていきます。その定義とは以下の通りです。

速度の定義

速度(m/s)
\( \displaystyle = (\frac{変位(m)}{時間(s)}) \)
* m=メートル,s=秒

物理では一般的に、距離をメートル(m)、時間を秒(s)で表します。ここで重要なのは「距離」を「変位」となったこと。この違いは「マイナスがあるかどうか」です。

物理の世界では、モノが移動するときに向きと位置が定義できます。↓の絵がその例です。右にいくほど位置の辺りが増えていき、左にいくほど位置の値が下がります。

この位置の値を使うと、変位は以下のように定義できます。

変位(m)
\( \displaystyle = (移動後位置 – 移動前位置) \)

簡単にいうと、この変位は移動距離と同等です。しかし、もし左に移動した場合は、移動後位置のほうが小さくなるため、変位はマイナスになるんです

このため、もし2秒で左に40移動したら、速度は\(\frac{-40}{2} = -20 \)とマイナスになります。日常生活では-20m/sなんてあり得ないので、この速度がマイナスになるという点が物理の世界独自のものと言えます!

シミュレーターで「速度」の意味を理解しよう!

それでは早速、上で解説した「速度」に関する実験をシミュレーターを使ってしてみましょう!

実行ボタンを押してみて下さい。ボールが移動しはじめます。このシミュレーターでは↓のスライドバーで赤ボールの速度をリアルタイムに変動出来ます。さらに↓では位置と速度の変動をグラフ上でリアルタイムに確認できます。

速度はプラスにもマイナスにも変動できるので、その変化が位置にどのような影響をもたらすかを確認してみましょう!

速度
20

経過時間 : 0.0


グラフ表示項目位置  速度 

「速度」に関する重要なポイント

上のシミュレーターで速度と位置の関係をなんとなく理解できたと思いますが、その重要な性質を解説しておきます!

重要ポイント1:速度にはプラスとマイナスの符号がある

これは上でも解説したとおりですね。速度をマイナスにすると、↓の絵のように左向きに移動し、位置がどんどんマイナスの方向に進んでいきます。

重要ポイント2:速度が一定なら、位置は直線的に変化する

速度を一定にして、放置すると↓のように位置は直線的に増加/減少していきます。速度が固定ならば、位置は毎秒同じだけ変化するはずなので当たり前ですよね!物理の世界ではこのような場合、「等速運動」と呼びます。

速度の大きさで、その瞬間の位置変動の傾きが決まる

速度をリアルタイムに色々と変化すると、位置も↓のように大きく変動します。

ここで重要なのは、各瞬間で、位置グラフの変動の傾きが、そのときの速度と一致しているという事です。傾きについては、コチラの数学のページで解説しています。少し難しい表現になりますが、速度は位置グラフの微分と一致するんです

とにかく、速度が大きいと位置グラフの変動が大きくなるということです!

まとめ:「速度」とは1秒あたりの移動距離!

最後に軽くまとめです。ここまで解説したとおり、速度は位置の変動を表す値です。定義上は↓のようになり、1秒あたりどの程度移動するかを示す数字になります。

速度の定義

速度(m/s)
\( \displaystyle = (\frac{変位(m)}{時間(s)}) \)
* m=メートル,s=秒

ただし、動く方向によってプラスとマイナスの符号が変わることに注意して下さい。逆方向に動く場合は、速度はマイナスになるんですね。

次回は、速度の変動要因といえる「加速度」について解説していきます!

[関連記事] 物理入門: 速度・加速度の基礎
1.速度の定義(本記事)

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