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なぜ、自由落下中のエレベーターの中は無重力になるのですか?

yunosuke37さん

2011/11/1421:31:17

なぜ、自由落下中のエレベーターの中は無重力になるのですか?

何かの本で相対性理論がナンチャラとかでエレベーターの中が無重力になると言うのを見ました。何故なのかよく分からないので、中学生の僕にも分かるように説明して下さい。友達も疑問に思っているのでその友達にも説明できる様に図が付いているとすごく助かります。注文多いけれど、よろしくお願いします。

補足例として、「電車が発車するとき体が進行方向の逆に倒れるのと一緒です。」
と言うのがありました。
エレベーターが下に落ちるときその逆の天井の方に重力が働き地球の重力と打ち消しあって無重力になるってことですか?

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abs4416absさん

2011/11/1821:31:01

一般相対論によると、自由落下する物体が力を感じないのは、その状態が最も”自然な”状態だからです。

もう少し詳しく言うと、”自然な”状態とは、物体が慣性にしたがって動いている状態を指します。そして、地球の周辺は、その作用によって、「自由落下」が最も自然な運動になっています。そのため、自由落下している物体は力を感じません。


電車の例も同じです。例えば、天井から紐でリンゴをぶら下げたとします。発車前、リンゴは止まっています。しかし電車が加速すると、リンゴは元の位置にとどまるので(慣性)、電車の中のあなたから見ると、リンゴは後ろの方へ動くように見えます。

このとき、リンゴは力を感じていないのに、電車の中のあなたからは加速しているように見えます。これは、自由落下する物体は力を感じていないのに、地上にいる人には加速しているように見えるのと同じ状況です。

質問した人からのコメント

2011/11/20 16:32:58

成功 なるほど・・・
分かりやすかったです!友達にバッチリ説明してきます!

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bump1979seaさん

2011/11/2003:37:12

僕も中学生です。
ガリレオの有名なピザの斜塔の実験は知っていますか?
「質量(重さ)の異なる物体でも
空気抵抗を無視すれば同時に(同速度で)落下する」というものです。
ここでエレベーターに誰かが入っていたとしましょう。
この時、人とエレベーターは同時に落ちますよね。
つまり、人が空中に浮いているような状態(無重力状態)になるのです。
ちなみにこの時、重力と打ち消しあっている力は慣性力です。
慣性力はまさに上の補足にあるような力です。
難しい話をすると一般相対性理論の話になってしまうので、
気になったら本なんかで調べてください。

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rise2writeさん

編集あり2011/11/1500:09:45

重力がなくなるわけじゃないです。
重力が無いという状態と、自由落下中のエレベーターの内部の状態、この二つは区別できないということを相対性理論は言っているわけです。

誤解を恐れずに言えば、
地球に重力がある、ということは、地球が宇宙にむかって(外側にむかって)加速し続けている、ということと同じだ、ということ。だから僕らの体は電車の発車した時と同じように、地面のほうに押しつけられている、ということです。

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kankedeさん

編集あり2011/11/1422:22:55

一般相対論では重力なんてものは幻みたいなもんです。
時空が曲がっているだけなんです、
自由落下すると言うのは曲がった時空にそって等速直線運動しているだけなんです。
立場を変えれば、
この下向きに加速する空間こそが我々が本来いるべき「平坦な時空」なのです。
平坦な時空に添っているのだから当然無重力です。

でも当然平坦な時空にどこまでも付いていく事は出来ません。
そこには「地球」(地面)というでっかい先客がいて、
行く手を遮っています。「平坦な時空」は置き去りにして下へ下へと行ってしまう。
「平坦な時空」の側から見れば、上向きに加速する地面の上に乗って上へ上へと向かっているように見えます。
その時に感じる下向きの幻の力を「重力」と呼んでいるわけです。


ちなみに補足の考え方はニュートン力学の考え方です。
ニュートン力学とはまったく考え方が違うのです。

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sincamambertさん

編集あり2011/11/1422:02:24

相対性理論ではなく相対速度に関係があります。
正確には無重力に「なったように感じる」ですね。

紐で釣られたエレベーターがあり、その中に人がいます。
その紐を突然切ったらどうなるでしょうか。
まずエレベーターは重力に引かれて加速しながら落ちていきます。
ところが、それと同時にエレベーターは紐という支えを失ってしまうので、中の人を支えてくれるものはなくなってしまい、その中の人も重力に引かれて自由落下を始めます。
エレベーターの外から見ればエレベーターと中の人はどちらも同じ速度で落下中です。
しかし中の人から見ると周りの壁は止まってるように見えて、まるで無重力空間にいるように感じられます。
自由落下中の人間の周りを同じ速度で落下する壁で囲ったと考えてみればわかりやすいのではないでしょうか。
この外から見た速度のことを絶対速度、落下中の人から見たエレベーターの速度のことを相対速度と言います。
(たとえば(絶対)速度60km/hの車に乗って(絶対)速度40km/hで走る車を追い抜くと、その車は20km/hで後退していくように見えます。この見かけの速度を相対速度といいます。)

<補足について>
あなたの言うように、天井方向に引っ張る力(慣性力といいます)が働くように感じるので、その力と地球の重力が釣り合って無重力になったように感じます。

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2011/11/1421:39:05

簡単に言うと
人とエレベーターの重さの違いで、実際には無重力ではないのですが
無重力と錯覚してしまうのです。
つまり
重さ×重力=落下速度 ←分かり易い式だと思って頂ければ幸いです。
この場合掛かる重力は人もエレベーターも同じなのですが、
重さが、人よりもエレベーターの方が、重い為、
落下速度がエレベーターの方が速くなるわけです。
そして、人よりも早くエレベーターが落ちているので
人が浮き上がってしまい、無重力と錯覚してしうのです。

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