【高校生必見】もう公式は怖くない！自由落下を完全マスターする３つのコツ
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
「木からリンゴが落ちるのを見て、ニュートンは万有引力の法則を発見した」。この有名な逸話を聞いたことがありますか？ 私たちの身の回りにあふれる「モノが落ちる」という当たり前の現象。実はその背後には、地球と物体が引き合う壮大な宇宙の法則が隠されています。「でも、物理って数式ばっかりで難しそう…」と感じるかもしれません。大丈夫です！これからご紹介するたった３つのステップを使えば、まるでパズルを解くように落下運動の問題がスラスラ解けるようになります。さあ、一緒に物理の世界を冒険してみましょう！
どんな問題も解ける！魔法の「３ステップ解法」
落下運動のような「等加速度直線運動」の問題は、これから紹介する手順で解いていけば、驚くほど簡単になります。ポイントは、いきなり計算を始めないこと。まずは頭の中を整理することから始めましょう。
| １．絵を描いて，動く方向に軸（座標）をとる。 ２．軸の向きを見て，速度・加速度に＋か－の符号をつける。 ３．等加速度運動の公式に分かっている数値を代入し、自分だけの公式を作る。 |
この３つのステップが、物理の問題を解くための強力な武器になります。では、さっそくこの武器を使って、具体的な問題に挑戦してみましょう。
実践！木のてっぺんからボールを落としてみよう
ここに１つの問題があります。３ステップ解法で謎を解き明かしていきましょう。
問題：小球をある高い木の上から静かに手放した（自由落下）。すると、ちょうど2.0秒後に地面に落ちた。この木の高さは？また、地面に達する直前の速さはいくらでしょう？ただし、重力加速度は9.8m/s²とします。
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解答はこちら！
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ステップ１：絵を描いて，動く方向に軸（座標）をとる。
物理を得意にする一番の秘訣は、状況を絵に描くことです。文章だけだとイメージしにくいですが、絵にすることで、何が起きているのかが一目でわかります。
今回はボールが上から下に落ちるので、下向きを「正（＋）」として軸をとりましょう。この「自分で向きを決める」というのが、とても大切なポイントです。
ステップ２：軸の向きを見て，速度・加速度に＋か－の符号をつける。
次に、物理量（速度や加速度）に符号をつけていきます。これは、それぞれの動きが「どちら向きか」をはっきりさせるためです。
初速度（v₀）：最初は「静かに手放した」ので、速さゼロ。つまり v₀ = 0 m/s です。
加速度（a）：物体を下に引っ張る重力加速度（g）が、落下運動の原因です。今回は下向きを「正（＋）」と決めたので、加速度は a = +g = +9.8 m/s² となります。この「9.8m/s²」というのは、「1秒経つごとに、速度が9.8m/sずつ速くなる」ことを意味しています。すごい勢いで加速していくんですね！
ステップ３：等加速度運動の公式に分かっている数値を代入し、自分だけの公式を作る。
いよいよ最後のステップです。等加速度直線運動の３つの公式に、先ほど決めた a = +g と v₀ = 0 を入れて、今回の問題専用の公式を作ってしまいましょう。
今回は「高さ（距離y）」を知りたいので、2番目の公式 y = v₀t + 1/2at² を使います。
ここに v₀ = 0, a = +g を入れると、y = 1/2gt² という、とてもシンプルな式になりましたね！
あとは、問題文にある t = 2.0 秒 と g = 9.8 m/s² を代入するだけです。
y = 1/2 × 9.8 × (2.0)² = 1/2 × 9.8 × 4.0 = 19.6
有効数字を考えて、答えは約 20 m となります。これは、だいたいビルの5〜6階に相当する高さです。わずか2秒でこれだけの距離を落ちるなんて、重力の力は本当に大きいですね！
答え 20m
ちなみに、地面に達する直前の速度は、1番目の公式 v = v₀ + at から v = gt となり、v = 9.8 × 2.0 = 19.6 m/s。時速に直すと約70km/hで、自動車並みのスピードです！
いかがでしたか？このようにステップを踏んで考えれば、物理の問題は決して難しくありません。むしろ、身の回りの現象のすごさを再発見できる、とても面白い学問なんです。特に中学3年生の皆さんは、今のうちにマスターしておくと、高校での学びがもっと楽しくなりますよ！
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