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Aug 09, 2023

なぜ磁石ではだめなのか

Rhett Alleyne C'è un meme che circola su Internet da molto tempo.

レット・アレイン

インターネット上で長く広まっているミームは、基本的には「磁石推進車両は機能するだろうか?」という質問です。 (これは Reddit に投稿されたバージョンです。) これは、フロントに厚い金属板が取り付けられたピックアップ トラックの非常にシンプルな図です。 クレーンアームがトラックの後部から運転台の上に伸びており、車両の前方に強力な磁石を保持しています。 ここでの理論は、磁石がプレートを引き付けてトラックを前方に引っ張り、本質的に燃料を必要とせずに永久運動を生み出すというものです。

この図の私のバージョンは次のとおりです。

OK、あなたはおそらくこれがうまくいかないことをすでに推測していました。 （つまり、そうなったら、私たちはすでに燃料を使わない磁石の車で走り回っていることになりますよね？） しかし、なぜそうしないのでしょうか？ そして、それを機能させる方法はあるのでしょうか?

さあ、始めましょう。

私たちは相互作用を説明するために常に力を使用します。 椅子に座ると、椅子があなたをある程度の力で押し上げます。これは、お尻と座面の間の接触力の相互作用によるものです。 地球の上に立っているだけで、重力という力があなたを下に引っ張ります。 磁石を鉄の近くに置くと、磁石が金属を引き寄せます。 その力は、この 2 つの間の磁気相互作用によるものです。

注意すべき重要な点の 1 つは、これらの例はすべて 2 つのオブジェクト間の相互作用であるということです。 椅子がなければ、人と椅子の間のインタラクションは成立しません。 地球と人、磁石と金属も同様です。

2 つの一般的なオブジェクト A と B の間の相互作用を見てみましょう。オブジェクト A がオブジェクト B を押すと、オブジェクト B もまったく同じ強さの力で反対方向にオブジェクト A を押します。 私たちはこれをニュートンの第 3 法則とよく言います。つまり、あらゆる力には、等しい反対の力が存在します。

これらの等しく反対の力を実際に測定することができます。 2 台のカートを低摩擦トラックに乗せてみましょう。 どちらのカートも上部に力センサーが取り付けられており、2 つのセンサーは輪ゴムで接続されています。

ローレン・グッド

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

それらを引き離すとどうなりますか? 右のカートが左のカートを引っ張ります。 左側のカートは同じ力で反対方向に引きます。 (実際には、この場合にはゴムバンドもありますが、質量が非常に小さいため、重力や磁力などの基本的な力であるかのように扱うことができます。)

この相互作用中に 2 つの力センサーが読み取った内容は次のとおりです。

ニュートンの第 3 法則のおかげで、2 つのセンサーの力の測定値はほぼ同じ強度になります。

仮想の磁石動力の乗り物について考慮する必要がある力のルールがもう 1 つあります。 これはニュートンの第 2 法則で、物体にかかる正味の力によってその物体の速度が変化するというものです。 この法則が次の方程式で表されるのを見たことがあるかもしれません。

ローレン・グッド

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

この 1 次元方程式では、合計の力、つまり正味の力は、物体の質量とその加速度の積に等しくなります。 (これのベクターバージョンもありますが、心配しないでください。)

加速度は、オブジェクトの速度がどのくらい速く変化するかを示します。 しかし、物体にかかる正味の力がゼロであれば、加速度もゼロでなければなりません。 物体が加速度ゼロで静止している場合、静止したままでなければなりません。 これは当社の磁石推進トラックにとっても重要です。

もちろん、このアイデアが機能するかどうかをテストするための最初のステップは、実際のモデルを試してみることです。 それはとても簡単です。 フルサイズのバージョンは必要ありません。 一種のマグネットクレーンを備えた低摩擦カートを代用として使用できます。 私が構築したものは次のとおりです。

ローレン・グッド

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

左側には、レゴベースのクレーンに取り付けられた大きなネオジム磁石が見えます。クレーンはテープでカートに接続されています。 これまでにこれらのものを使用したことがない場合に備えて、これらは非常に強力です。 カート本体には程よい大きさの鉄の棒が取り付けられています。 確かに磁石と鉄の間にはかなりの引力があり、注意しないと指を挟んでしまうほどの強さです。

テストは簡単です。鉄の棒にかかる磁石の力で全体が動くでしょうか?

もちろん…うまくいきません。 カートは加速せず、動きません。 （これを動画として投稿することもできましたが、動かない動画はあまり面白くありません。）

では、なぜうまくいかないのでしょうか? おそらく、加速する少し異なるマグネット カートから始めるのが最適でしょう。 これをチェックしてください:

ここで、カート (右側) は移動するだけでなく、左側に移動するにつれて加速し、速度が増加します。

このカートにかかる力を力の図で見てみましょう。 (私たちはこれを自由体図と呼びます。)

ローレン・グッド

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

かなり合理的な摩擦を無視すると、カートに関係する力の相互作用は 3 つだけになります。 カートと地球の間には重力の相互作用により、下向きに引っ張る力が生じます。 カートがトラック上にあるため、上向きに押す接触相互作用も発生します。 (これら 2 つの力は等しい反対の強さを持っており、一緒に加えると打ち消し合います。ただし、一方はトラックとカートの間にあり、もう一方は地球とカートの間にあるので、これらは同じ相互作用ではありません。)

これにより、磁石とカートの間の最終的な力に対抗するものが何もなくなります。 この正味の力が左に引っ張られると、カートは静止状態から移動状態になり、さらに速く移動します。 これは、まさにあなたが望んでいたような、現実の磁気車両です。

これを見ると、マグネットトラックのアイデアがうまくいきそうな気がします。 しかし、なぜそうでないのかを知るには、磁石とクレーンを備えたカートの力の図が必要です。 実際には面倒になるので、3 つの異なる図を作成します。 カート用に 1 つ、クレーン用に 1 つ、マグネット用に 1 つあります。 (心配しないでください。勢力を色分けしました。)

カートにかかる力から始めましょう。 磁石とクレーンが追加されたことによる違いは 1 つだけです。それは、クレーンがカートを押す力です。 ここで、カートにかかる合計の力 (正味の力) がゼロであることに注目してください。

磁石に話を移すと、磁石はカートを左に引っ張るので、カートが磁石を右に引っ張るのと同じ大きさの力が生じます。 実際には同じ相互作用であるため、この力はカートを引っ張る磁石の力と同じ大きさになります。

次に、磁石には重力がかかり、クレーンから上向きに引っ張られる力によってバランスが保たれます。 また、クレーンは磁石を左に押して、磁石がカートに衝突するのを防ぎます。

ローレン・グッド

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

最後に、クレーン自体を用意します。 ここでは重要でない力の一部を省略しました。最も重要なのは、磁石とカートが反対方向に引っ張る力です。

これらのオブジェクトの正味の力はすべてゼロです。 それが重要な部分です。正味の力がゼロであれば、加速度もゼロになります。 速度ゼロで開始されるこれら 3 つのオブジェクトは、ゼロのままになります。 彼らは動きません。 それはうまくいきません。

これがなぜ機能しないのかを理解するのが難しい理由の 1 つは、磁石とカートの間の魅力的な相互作用を直接見ることができないためだと思います。 それはまるで魔法のように思えます。そして魔法は物事を動かすことができます。

そこで、これも機能しない磁石付きカートのわずかなバリエーションを示します。クレーンはカートに取り付けたままにしておきますが、磁石とアイロンを輪ゴムで置き換えるとします。 ゴムバンドを伸ばすと、磁石と鉄の相互作用と同様の引力が発生します。 ただし、輪ゴムを使用すると、実際に相互作用を確認できます。 それをチェックしてください：

それは動きませんし、誰もそれを期待していないと思います。 ただし、本質的にはマグネットカートと同じです。

私は古い漫画を例として使うのが好きですが、『ルーニー・テューンズ ロード・ランナー』シリーズでは、ワイリー・E・コヨーテが、非常に速く動く鳥、あるいは愚かなウサギを捕まえる新しい方法を常に見つけようとしています。 通常、彼は物事を間違うことが多いが、時折彼はたまたま正しいことがある。 まあ、まあ、そうですね。

このエピソードでは、鉄分が多めの鳥の種を出します。 ロードランナーがそれを食べた後、ワイリーEはその鳥を捕まえることができるように自分自身に磁石を取り付けます。

もちろん、それはうまくいきません。漫画では、磁石が走行中の列車に引き寄せられ、ワイリー E. が列車に衝突するからです。 そして、より現実的に言えば、この場合、磁気相互作用によって生じる非常に小さな力は、摩擦に打ち勝つのに十分ではないでしょう。

ただし、主要なアイデアは少なくとも現実のものに基づいています。 このワイリー・コヨーテの方法では、磁石と鉄が別々のものに取り付けられていることに気づきましたか? それが重要な部分です。 力はペアで現れることを忘れないでください。 磁石はロードランナーを引き寄せますが、ロードランナーは磁石を引き戻します。 磁石からの力はワイリーの一部ではなくロードランナーにあるので、それはそれらの力が相殺されず、彼が自らの破壊に向けてズームアウトできることを意味します。

結局のところ、物事が真実であるにはあまりにも良すぎるように見える場合、おそらく実際はそうなのです。