健康がわかる!?逆転理学療法士☆みっちーブログ

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身体運動を生体力学的に捉える~運動法則、エネルギーについて~

はいどーもーみっちーです!

 

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前回に引き続き、身体運動を生体力学的に捉えていこうということで連続的に投稿させていただいています。

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 本日の内容は、

運動の位置だったり、モーメントだったりを書いていきました(上記参照ください)が、今回は【運動法則】について書いていきたい思います!

 

まず、この地球にいる限り、物体は、重力やら摩擦力やら熱や様々な外力を受けています。

そして、それに対応する、法則というものがあります。

その法則がニュートンさんが考案した、ニュートンの運動法則】です。

これからその運動法則について紹介したいと思います。

 

 

 

Newtonの運動法則

運動の第1法則

物体には外力が働からかなければ、物体は静止を続けるか、等速度で運動を続けます。

これをガリレオ慣性の法則といいます。

世の中には、物体を動かすには外力を必要とします。

外力を与えることで物体が動き、摩擦力が働くことで減速し、静止します。

つまり、摩擦力があるから、物体に外力を与えなければならないことと同義になります。

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反対に摩擦力がないと、静止しているor等速度運動でどこまでも遠くに行き続けます。

このように、物体は、静止した状態や、運動をしている状態を維持しようとする性質を慣性の法則といいます。f:id:micchiiiiiii_pt:20200425122500p:plain

 

運動の第2法則

こちらは時に第2法則のみをニュートンの法則と言われることがあります。

運動が変化するのは、加速度が変化する力が物体に働いた結果です。

力をFとし、加速度がα、比例定数(この時は質量とします)をmとしたとき

F=mα

という関係が成り立ち、加速度が増すことにより運動の力が大きくなるという法則です。

これを運動方程式とも呼ばれます。

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運動の第3法則

この地球にいる限り、物体には重力が働いています。

重力という外力が働いていますが、物体はその場で留まる静止ができています。

これは、重力と同一の作用線上に、大きさが同じ向きが反対の床反力が働いているからです。

物体には、摩擦力も加わることから、AがBを押したとき、作用する向きと力に対し、反対方向に作用する力と向きが同一になることで静止します。

ここで、AがBより強い力で押した場合、力の差分だけ動かすことができます。

これを【作用‐反作用の法則】と言います。

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剛体の運動法則

剛体の運動法則はニュートンの法則、運動の第2法則に関係に従います。

しかし、これは回転運動のため、直線の運動ではありません。

そのため、そのまま運動の第2法則を使うことはできません。

剛体の回転力(モーメント)をMとし、これに対して、回転する速度(角加速度)をα、比例定数(回転に伴う質量:kgm2)をIとします。

M=Iα

が成立します。

回転させる力は、重たいものを早く回すことでその物体を回すためには強い力が必要という関係の式です。

ハンマー投げを考えていただけるとわかりやすいと思います。

徐々に速度を上げていくことで、回転力が増すことで飛距離を出します。

その回転力は、質量と速度が増すことで大きくなるということです。

あの重たいのをぐるぐる回すのに相当な力が必要ですよね。おそらくあんな回っている中に突っ込んだらただでは済まないのは言うまでもありませんね。

これを総称して【遠心力】とも言います。

 

 

エネルギーについて

エネルギーとは、仕事をする能力仕事に変化ができる能力のことを指します。

ここで出た仕事とは、物理学的には、物体に力を加えて位置を移動させることを言います。

仕事は、力によって動かせたかを指しますので、「力が仕事をした」という表現をします。

僕たちが知りたいのは、仕事をしたかではなく、どれくらい(距離:s)の力(F)で仕事をしたか、仕事量(W)を知りたいため、

W=Fs

仕事量=力×移動距離

とされます。

エネルギーには、力学的、熱的、電気的、化学的エネルギーなど様々な形がありますが、運動に必要な力学的エネルギー(運動および位置エネルギー)について触れていきます。

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運動エネルギー

運動している物体が持つエネルギーを【運動エネルギー】と呼びます。

運動エネルギーは

Fs=1/2mv2

仕事量=1/2×質量×速度2乗

と式となります。

運動エネルギーは質量が大きいほど、速度が速いほど大きくなります。

 

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位置エネルギー

物体の高さ(位置)によって決まるエネルギーを位置エネルギーといいます。

高さh のところに静止する質量mの物体を地上に落下させた場合、その物体にかかる力は、質量×重力(g:9.8)=mgで、hの高さから落下させているのでmghのエネルギーを持つことになります。

U=mgh

重力による位置エネルギー=質量×重力加速度×高さ

mghを位置エネルギーと言い、運動エネルギーと等しくなります。

その位置だとどれくらいの運動エネルギーになるかという予測を位置エネルギーと考えても良いと思います。

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まとめ

いかがだったでしょうか?

これまで紹介してきたことは、リハビリを思考する中で、神経生理学等よりも地球上いるためにはかかせない知識だと思います。

ニュートンの運動法則では、

  • 身体がどれだけ動くor静止できるか(慣性の法則
  • 動いている身体がどれだけの力を持っているのか(運動の第2法則)
  • 身体が目的物に対してどれだけ耐えられるかor勝てるか(作用・反作用の法則)

 

エネルギーの話も出ましたが、この地球上にいる限り、人間だけではなく、どの物体においても付きまとってくる話です。

 

人間が生活するのは、地球上なので、地球上で起きる法則なども必要かなと思いまして調べてみた結果少しでも参考になればと思って紹介しました。

 

最後まで読んでいただきありがとうございました。

 

では!!!