公式1:速度の定義

1.キハジによる定義

まずは小学校でも習う、速さ=距離÷時間です。この式の"距離"は、同じくこの式の"時間"の間に進んだ距離であることは当たり前です。しかし複雑な問題になるとつい忘れるので注意。あと、これで表されるのはあくまで速さであるので、速度を表すには、進んだ方向を考えて付け加えなければいけません。

2.平均の速度

次は高校レベルです。上の式の、"距離""時間"に、元の定義を当てはめるのです。そうすると、x2−x1/t2−t1(x2:時刻t2の時の位置、x1:時刻t1の時の位置)となります。この定義では、"距離"をベクトルの差として考えているので、進む方向も考えられています。しかし、いかんせん二つの時刻しか取っていないので、その間にどんな動きをしているかはわかりません。あくまでこの二つの時刻の間での平均の速度となります。

3.微分による定義

最後は高校では教えないことになっていますが、これを知っていると便利なので教えます。上の式は二点を取っているわけですが、この二点を限りなく近づけたらどうでしょう。これは数2で習う微分の定義そのものとなります。つまり、速度=位置(x)を時間(t)で微分したもの、つまりv=dx/dtとなります。これが、ある時刻での瞬間の速さとなります。逆に考えると、位置を時間で微分して速さなんですから、速さを時間で積分したら位置になります。

4.等速直線運動

等速直線運動の場合、速度vは一定、つまり定数として扱ってよいので、位置はこれを積分して、x=v・t+C(Cは積分定数)となります。ここで、t=0の時にはx=Cなので、Cはt=0の時の位置、つまり初めの位置となります。つまり、x=v・t+xO(x:ある時刻での位置、v:速度(定数)、t:時刻、xO:初めの(t=0の時の)位置)となります。

5.等加速度直線運動

等加速度のときは、速度と加速度の関係で述べるとおり、速度はa・t+vO(a:加速度(定数)、t:時刻、vO:初速度)となるので、位置はこれを積分し、同様に積分定数は初めの位置になります。つまり、等加速度のときは、x=a・t2/2+vO・t+xO(x:ある時刻の位置、a:加速度(定数)、t:時刻、vO:初速度、xO:初めの位置)となります。これで特に重要なのは、物が飛んでいくときには、空気抵抗を無視すれば、上下方向は常に下向きにgの加速度がかかっていることになるので、等加速度運動と考えられるということです。