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「走り」を理解するための「ニュートンの法則」

「走り」を理解するための「ニュートンの法則」

短距離走を理解するためには必要な知識の一つに「ニュートンの法則」というものがあります。物理の授業などでよく聞く言葉ですが、これを理解しておくことは「速く走るためには何が必要か?」を学ぶために、非常に重要だと言えます。

 

~ニュートンの法則~

・第1法則(慣性の法則)

どんな物体も、外から力が加わらない限り静止し続ける。もしくは等速直線運動を続ける。

 

・第2法則(運動方程式)
物体に力が加わると、物体は加わった力に比例した加速度を持つ。またその加速度は物体の質量に反比例する。

 

・第3法則(作用反作用の法則)
2つの物体の間に働く力は、大きさが同じになる。また、その力の方向は必ず逆方向になる。

 

以下、一つずつ見ていきましょう。

 

 

慣性の法則

「慣性」とは、物体が止まったままならずっと止まったまま、動いていればずっと動き続けようとする性質のことです。空気も重力も働かない宇宙では、置いてあるボールが突然動き出すことはありません。また、一定の速度で動いているボールはずっとその速度で、直線的に動き続けます。

 

この世のあらゆる物体のこのような法則性を「慣性の法則」と呼んでいるわけです。

 

 

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運動方程式

運動方程式とは、物体の質量と力に関する、以下のような関係性を示すものです。

 

力(N)=質量(kg)×加速度(m/s2

 

(Nは力の単位のことで、ニュートンと呼びます。)

 

 

例えば、1kgのボールに10の力を加えたときよりも、50の力を加えたときでは、加速度が5倍になるということです。ボールを投げるとき、より大きい力を加えた方が、ボールは速くなります。

 

さらに、同じ力で投げたとしても、ボールがいつもより重ければ、いつもより遅いボールしか投げられません。このように、力の大きさ、物体の重さ、加速度合いには密接な関係があるわけです。

 

 

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作用・反作用

最後に、「作用反作用の法則」とは、「物体から物体に力が加わったとき、加えた側にもそれと同じ大きさで、逆方向の力が加わること」です。
壁を手で押すと、壁に力が加わります。それと同時に、手には逆方向に同じ大きさの力が働きます。バットでボールを打つと、バットがボールに加えた力と、ボールからバットが受けた力の大きさは同じで、向きは真逆になります。

 

 

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以上の「ニュートンの法則」を基に、短距離走の中でニュートンの法則がどのように関わっているかを見ていきます。

 

 

「走り」と「ニュートンの法則」の関わり

100m走は大きく分けて、加速局面、トップスピード局面、減速局面に分けられます。どんな選手も最初は止まった状態からスタートし、合図とともに急加速、最大疾走スピードに達した後、減速していきます。

 

 

短距離をする時に、人が唯一力を加えられるのが、「スターティングブロック」と「地面」です。人は地面に力を加えて、「逆向きに押し返される力」を使って、前に進むことができます。これには、作用反作用の法則が関係していることが分かります。

 

また、運動方程式(力=質量×加速度)から、自分の体重が変わらないとすれば、できるだけ大きな力を加えて、その反力を受けられるほど、自分は前に素早く加速し、進むことができます。

 

※注:実際、図のように、地面を押して脚が伸び切ろうとしている局面では、ほとんど地面に力は加えられていません(既に加え終わっている)。便宜上の表現です。悪しからず。

 

この加速局面で、どれだけ高いスピードまで加速できるかが短距離走において重要であることは言うまでもありません。つまり、「大きな力を地面に加えられること」は、素早く加速して、速く走るために非常に重要であるということが、このニュートンの法則から理解できるわけです。

 

 

参照文献

・金子公宥. (2006). スポーツ・バイオメカニクス入門: 絵で見る講義ノート. 杏林書院.
・阿江&藤井(2002). スポーツバイオメカニクス 20 講. 朝倉書店.
・深代千之, 川本竜史, 石毛勇介, & 若山章信. (2010). スポーツ動作の科学 バイオメカニクスで読み解く.
・土江寬裕. (2011). 短距離・リレー. ベースボール・マガジン社.


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