ロケットは、なぜ空気がなくても飛べるのか?

身の回りを見渡すと、日常は不思議なほどに美しい「数」の法則にあふれている。そんな「日常にひそむ うつくしい数学」を、京都大学物理学専攻の著者が、小学生でもわかる平易な文章で解説。難しい数式は読み飛ばしても大丈夫。本連載は「日常にひそむ うつくしい数学」(朝日新聞出版)よりお届けいたします。

ロケットは、なぜ空気がなくても飛べるのか?


飛行機とロケット、どちらも空飛ぶ乗り物ですが、飛行機は空気がないと飛べないのに対して、ロケットは空気の無い宇宙空間でも飛ぶことができます。なぜなのでしょうか?実は、飛行機とロケットでは、飛ぶ仕組みが全く違うのです。

ロケットが飛ぶ仕組み

ロケットの構造は複雑なので、独自開発のロケットによる人工衛星の打ち上げ能力を持つ国は、まだ数えるほどしかありません(ロシア、アメリカ、フランス、日本、中国、イギリス、インドなど)。技術的にはそれほど難しいわけですが、ロケットが宇宙まで飛んでいく原理そのものは、実はとても簡単です。

ロケットは、「運動量保存則」と呼ばれる法則を利用して飛んでいるのです。「運動量保存則」という言葉を、初めて聞いた方もいらっしゃるかもしれません。これは、動いている物体を支配する物理法則の一つです。物を動かそうとしたとき、軽いものは簡単に動かせますが、重いものを動かすのは大変ですよね。そのことを数学的に厳密に表したのが、「運動量保存則」です。

物を動かそうとするときの大変さは、重さ(質量)と速さ (速度)で決まります。軽いビー玉を動かすよりも、重い机を 動かすほうが大変でしょう。また、野球のボールを時速 10kmで投げるよりも、時速100kmで投げるほうが大変です。プロ野球投手の球速は時速150kmを超える場合もあるそうですが、早く投げることが難しいからこそ、プロ野球というビジネスが成立します。

物を動かす上で、質量が大きいほど、そして速度が大きいほど難しいのならば、いっそのこと二つを掛け算して難しさを一つの基準で表せないでしょうか?物理学の世界では、このような考え方に基づいて運動を議論するのが一般的で、質量と速度を掛け算した値は「運動量」と名付けられています。 そして、次のような法則が成り立つことが知られています。

運動量保存則  
外から力が加わらなければ、「質量×速度(=運動量)」の総和は一定に保たれる

これだけだと分かりづらいので、具体例で考えてみましょう。左側から時速100kmで飛んでくる質量10kgの鉄球が、 静止している別の鉄球に当たるところを考えます。静止している鉄球には強力な粘着テープが貼られていて、飛んでくる鉄球と衝突した瞬間、二つの鉄球がくっついてしまうことにしましょう。このとき、仮に静止している鉄球が1㎏の場合、 ぶつかった後の速度はどうなるでしょうか?

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日常にひそむうつくしい数学

冨島佑允

身の回りを見渡すと、日常は不思議なほどに美しい「数」の法則にあふれている。知っているようで知らなかった日常の不思議。身の回りに隠された数の神秘。そんな「日常にひそむうつくしい数学」を、京都大学物理学専攻の著者が、小学生でもわかる平易な...もっと読む

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コメント

PagannPoetry そういえば“飛行機が飛ぶ理由はいまだにわかっていない説”もありましたね・・・。 https://t.co/CGtyoAsIKX 10ヶ月前 replyretweetfavorite

saori207 @Wassy_mofu 冷血は読んだことないんだけど、カポーティの映画は見たよー🎬⸜(*˙꒳˙*)⸝🍿 いま、十二国記読み返してるから読み終わったら図書館で借りてくるわ笑 あとこれもよかったー!🚀 https://t.co/R8F7s6ISMa 10ヶ月前 replyretweetfavorite