ニュートンのゆりかご

複数の振り子がセットになった装置「ニュートンのゆりかご」の端の球を持ち上げて離し、他の球の運動の様子を観察する。

ニュートンのゆりかごは、物理法則である「運動量保存の法則」と「エネルギー保存の法則」を視覚的に体験できる装置です。同じ質量の金属球が回転せずに正面衝突すると、その衝撃が隣の球に伝わり、衝突した側の球は静止します。これを弾性衝突と言います。これが繰り返され、最終的に反対側の球が飛び出します。飛び出した球は最初の球とほぼ同じ高さまで上がり、再び降りてきて隣の球に衝突します。このサイクルが長時間繰り返されるので、インテリアなどとしても使用されます。

同時に２つの球を衝突させてみるとどうでしょうか。この場合、反対側から２つの球が同時に飛び出す様子を観察できます。２つの球がまるで１つの大きな塊かのように振る舞うのです。衝突させる球を３つ、４つと増やしていくとどうなるか確認してみましょう。

ニュートンのゆりかごをよく見ると、球と球の間が完全には接しておらず、わずかな隙間があります。これにより衝撃が効率よく伝わるため、弾性衝突が連続して起こります。理想的な条件では永遠に動き続けますが、実際には摩擦や、空気抵抗、糸のたるみなどにより運動エネルギーが減少し、球の動きが徐々に弱まります。運動エネルギーが一部失われ、熱や音に変換されるためです。市販のニュートンのゆりかごを改良したり、ご自身で長時間動くニュートンのゆりかごを作られる際は上記のような点に注目してみてください。

ビリヤードも理想的な弾性衝突が起こりやすい状況です。ボールに回転がかかっていると衝突後に転がってミスにつながってしまうので、プロのビリヤード選手は手球にバックスピンをかけることがあります。こうすることで手球が的球に衝突する瞬間に無回転の状態を作り、手球を静止させることができるのです。