空気抵抗とは?なぜ物体の速度が上がると空気抵抗は大きくなるのか?

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    さてあなたは空気抵抗という言葉をご存知でしょうか。

     

    空気自体は無色透明な気体で目で見ることはできませんが、
    地球上で生活している限り私たちの周りには常に空気が存在しています。

     

    空気抵抗は名前の通り空気によって発生するものなのですが、
    実際に空気抵抗がどういうものなのかを説明できる人は少ないです。

     

    そこでこのページでは空気抵抗とは何か?
    また物体の速度が上がると空気抵抗が大きくなる理由を解説します。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.空気抵抗(くうきていこう)とは?

    では空気抵抗とはどういうものなのか見ていきましょう。

     

    結論から言ってしまうと空気抵抗(くうきていこう)とは、
    空気と衝突することによって物体の進行方向と逆向きに発生する力です。

     

     

    上図のように地球上では物体の周りには空気が存在しているので、
    物体が進むことで周囲に存在している空気と衝突することになります。

     

    それにより物体の進行方向と逆向きの力が空気から発生します。

     

    このような空気が物体の進行方向と逆向きに働く力のことを空気抵抗と言います

     

    ちなみに空気抵抗は物体の進行方向に空気が存在していれば働く力なので、
    その物体の進行方向が上下左右どこでも関係なく発生するものなので注意してください

     

     

    空気自体が目に見えないので少しイメージが難しいかもしれませんが、
    単純にある物体が他の物体(空気抵抗の場合は空気)に衝突したときをイメージしてみてください。

     

    例えば山積みのボールの上に鉄球を落下させて、それぞれが衝突したとしましょう。

     

     

    そうすると上図のようにボールの上に落ちてきた鉄球に対して、
    ボールから押し返そうと鉄球の進行方向とは逆向きの力が働きます
    (空気であればこれがいわゆる空気抵抗のこと)

     

    空気よりも重いものは空気抵抗により逆向きの力がかかったとしても、
    上のボールのように進行する物体に押しのけられて飛ばされていきます。

     

    このように空気をボールに置き換えてみると、空気抵抗について理解しやすくなりますよね。

     

     

    次の章で、なぜ物体の速度が上がると空気抵抗が大きくなるのかを解説していきますね。

     

    2.なぜ物体の速度が上がると空気抵抗は大きくなるのか?

    ではなぜ物体の速度が上がると空気抵抗は大きくなるのか見ていきましょう。

     

    さっそくですが物体の速度が上がると空気抵抗が大きくなる理由は、
    物体の速度が上がることで物体が衝突する空気の量が増えるからです。

     

     

    物体の速度が速くなるということは、同じ時間に進む距離が長くなるということです。

     

    そして同じ時間内で進む距離が長くなれば(速度が速くなれば)、
    それだけ物体がより多くの空気に衝突することになりますよね。

     

    衝突するものが多ければ、その分だけ抵抗が増えていきます。

     

    なので物体の速度が上がると、空気抵抗が大きくなっていくんですね。

     

     

    また空気抵抗の大きさが左右されるのは物体の速度だけではなく、
    物体の周囲の気圧の大きさによっても左右されます

     

    物体の周囲の気圧が大きいほど空気抵抗も大きくなり、
    反対に物体の周囲の気圧が小さいほど空気抵抗は小さくなります

     

     

    気圧の大きさは空気(気体)がどれだけ詰まっているのかによるので、
    空気が詰っていればいるほど気圧は大きくなります。

     

    空気が詰まっていくほど空気自体の密度が大きくなるので、
    その空気から他の物体に与える力(気圧)が大きくなります。

     

    つまり簡単に言えば、空気が物体を押し返す力が強くなるということです。

     

    これを理解するためには、スポンジを手でつぶしたときをイメージしてください。

     

    スポンジをつぶすとスポンジ自体は小さくなります(密度は大きくなる)が、
    つぶれた後にスポンジが元に戻ろうと押し返す力が強くなりますよね。

     

     

    空気もこれと同様で周囲に存在する他の物体を押し返す力が強くなります。

     

    なので物体にかかる空気抵抗には、速度以外にも気圧の大きさ(空気の量)が関係しているんですね。

     

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    3.空気を遮る物体があれば空気抵抗は小さくなる

    では空気を遮る物体があれば空気抵抗は小さくなることについて見ていきましょう。

     

    まず空気抵抗は、空気と衝突することによって物体の進行方向と逆向きに発生する力です。

     

    なのでもしその物体に空気抵抗を発生させたくないのであれば、
    物体の進行方向の前方に空気を遮るような別の物体を置けば良いわけです。

     

     

    これにより前方に置いた物体によって空気が遮られて、
    壁役となった物体の後ろには空気があまり流れていかなくなります。
    (壁役の物体により、後ろの物体には空気があまり衝突しなくなるということ)

     

     

    例えばスポーツなどではよくあることですが前方を走っている人の後ろに付いて走ることで、
    自分が走る際の負担を少し軽減できます(空気抵抗が小さくなるので走りやすくなる)

     

    要は空気抵抗というのは進行方向と逆方向に働く力なので、
    空気が衝突することで押し返そうとしてくるわけです。

     

     

    その押し返そうとする力(空気抵抗)が”自分に全てかかるのか”、
    ”自分にあまりかからないのか”では走りやすさが全然違いますよね。

     

     

    また他にも空気を入れた風船を使用した実験があります。

     

    普通であれば空気を入れた風船を空中から落下させようとしても、
    風船が落ちるときはゆっくりと落ちていきます(空気抵抗が生じるため)。

     

    しかし空気を入れた風船の下に空気を遮る他の物体を配置してから一緒に落下させると、
    風船はゆっくりではなく他の物体と同じように速く落ちていきます

     

    なぜ空気を入れた風船がゆっくりではなく速く落ちるのかその理由は簡単で、
    他の物体によって風船に対して空気抵抗がほとんどかからなくなるからです。

     

     

    風船も含めて全ての物体には地球からの重力がかかっていますが、
    実は物体に重力のみしか力がかかっていなければ全ての物体は同じ速度で落下します

     

    ですが私たちが暮らしている地球では常に周囲に空気が存在しているので、
    落下するときはどんな物体でも空気抵抗がかかってしまいます。

     

    簡単に言えば物体の密度が小さいほど空気抵抗の影響を受けやすくなり、
    物体の密度が大きいものほど空気抵抗の影響は受けにくくなります

     

    このように空気抵抗によって物体の落下する速度が変わるということは覚えておきましょう。

     

    以上が「空気抵抗とは?なぜ物体の速度が上がると空気抵抗は大きくなるのか?」でした。

     

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    4.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 空気抵抗とは、空気と衝突することによって物体の進行方向と逆向きに発生する力のこと。
    • 物体の速度が上がると空気抵抗が大きくなる理由は、衝突する空気の量が増えるから。
    • 物体の速度が上がる以外にも、周囲の気圧が大きくなれば空気抵抗も大きくなる。

     

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