モーション

物理学では、運動とは、物体が基準点に対して、与えられた時間内に位置を変えることです。運動は、変位、距離、速度、加速度、速さ、および観測者に対する基準フレームという観点から数学的に説明され、時間の変化に伴う物体の位置の変化をそのフレームに対して測定します。原因を参照せずに物体の運動を説明する物理学の分野は運動学と呼ばれ、力とそれが運動に与える影響を研究する分野は力学と呼ばれます。

物体が与えられた基準系に対して運動していない場合、その物体は静止している、動かない、動かない、静止している、あるいは周囲に対して一定または時間不変の位置にあると言われます。現代物理学では、絶対的な基準系が存在しないため、ニュートンの絶対運動の概念は決定できないとされています。^[1]宇宙のあらゆるものは運動していると考えられます。^[2]^{: 20–21}

運動は、物体、物体、物質粒子、物質場、放射線、放射線場、放射線粒子、曲率、時空など、さまざまな物理システムに適用されます。また、画像、形状、境界の運動についても言及できます。一般に、運動という用語は、空間における物理システムの位置または構成の継続的な変化を意味します。たとえば、波の運動や量子粒子の運動について話すことができ、その構成は、波または粒子が特定の位置を占める確率で構成されます。

運動方程式

物理学において、運動方程式は物理システムの挙動を時間の関数としての運動の観点から記述する方程式である。 ^[3]より具体的には、運動方程式は物理システムの挙動を一連の数学関数として動的変数の観点から記述する。これらの変数は通常、空間座標と時間であるが、運動量成分を含むこともある。最も一般的な選択は一般化座標であり、これは物理システムに特有の任意の便利な変数となり得る。^[4]関数は古典力学ではユークリッド空間で定義されるが、相対論では曲がった空間に置き換えられる。システムのダイナミクスが既知である場合、方程式はダイナミクスの運動を記述する微分方程式の解である。

運動の法則

物理学では、質量の大きい物体の運動は、 2 つの関連する力学法則によって説明されます。1 つは原子よりも大きい超原子 (原子より大きい) 物体 (自動車、発射物、惑星、細胞、人間など)に対する古典力学で、もう 1 つは原子および原子より小さい物体 (ヘリウム、陽子、電子など)に対する量子力学です。歴史的には、ニュートンとオイラーが古典力学の 3 つの法則を定式化しました。

古典力学

古典力学は、発射体から機械部品、さらには宇宙船、惑星、恒星、銀河などの天体まで、光速よりも大幅に遅い速度で移動する巨視的物体の運動を記述するために使用されます。古典力学はこれらの領域で非常に正確な結果を生み出し、科学、工学、テクノロジーにおける最も古く、最大の科学的記述の1つです。

古典力学は、基本的にニュートンの運動の法則に基づいています。これらの法則は、物体に作用する力とその物体の運動との関係を説明しています。これらは、 1687 年 7 月 5 日に最初に出版されたアイザックニュートン卿の著書「自然哲学の数理原理」で初めてまとめられました。ニュートンの 3 つの法則は次のとおりです。

静止している物体は静止したままであり、運動している物体は外部からの力が加わらない限り運動し続けます。(これは慣性の法則として知られています。)
力 ( ) は、時間の変化あたりの運動量の変化 ( ) に等しくなります。質量が一定の場合、力は質量と加速度の積 ( ) に等しくなります。 ${\vec {F}}$ ${\frac {\Delta m{\vec {v}}}{\Delta t}}$ ${\vec {F}}=m{\vec {a}}$
あらゆる作用には、等しく反対方向の反作用がある。（言い換えれば、ある物体が別の物体（静止している物体）に力を加えると、その物体は最初の物体に力を加え返す。そしてその力は大きさが等しく、方向が反対である。したがって、加える物体は後方に押される。）^[5] ${\vec {F}}$ $-{\vec {F}}$ ${\vec {F}}$ $-{\vec {F}}$ ${\vec {F}}$

ニュートンの運動の 3 つの法則は、宇宙空間を周回する物体を理解するための数学モデルを正確に提供した最初の法則です。この説明により、天体の運動と地球上の物体の運動が統一されました。

相対論的力学

現代の運動学は電磁気学の研究とともに発展し、すべての速度を光速に対する比で表しています。速度はラピディティ、つまり双曲正接関数の双曲角として解釈されます。加速度、つまり時間の経過に伴う速度の変化は、ローレンツ変換に従ってラピディティが変化します。力学のこの部分は特殊相対性理論です。重力を相対論的力学に組み込む努力は、WKクリフォードとアルバート・アインシュタインによって行われました。この発展は、重力のある曲がった宇宙を説明するために微分幾何学を使用し、この研究は一般相対性理論と呼ばれています。 $v$ $c$ $\varphi$ $\tanh \varphi =v\div c$

量子力学

量子力学は、物質（分子と原子）と素粒子（電子、陽子、中性子、さらに小さな素粒子であるクォーク）の原子レベルでの物理的現実を記述する一連の原理です。これらの記述には、波動粒子二重性で説明されているように、物質と放射エネルギーの波のような挙動と粒子のような挙動が同時に存在します。^[6]

古典力学では、位置や速度など、物体の状態の正確な測定と予測を計算することができます。量子力学では、ハイゼンベルクの不確定性原理により、位置や速度など、素粒子の完全な状態を同時に決定することはできません。^[7]

量子力学は原子レベルの現象の運動を記述するだけでなく、超流動性、超伝導、嗅覚受容体の機能やタンパク質の構造を含む生物システムなどの大規模な現象を理解するのにも役立ちます。^[8]

桁違い

人間は、宇宙で知られているすべてのものと同様に、絶えず動いている。^[2]^{: 8–9}しかし、さまざまな外部の身体部分の明らかな動きや移動とは別に、人間はより知覚しにくいさまざまな方法で動いている。これらの「知覚できない動き」の多くは、特別なツールと注意深い観察の助けを借りてのみ知覚できる。知覚できない動きのより大きなスケールは、2つの理由で人間が知覚するのが難しい。ニュートンの運動の法則（特に3番目）は、観察者が接続されている質量の動きの感覚を妨げるため、そして個人が動いていることを容易に見ることができる明白な参照フレームがないためである。 ^{[9]これらの動きのより小さなスケールは、従来の人間の}感覚で検出するには小さすぎる。

宇宙

時空（宇宙の構造）は膨張しており、つまり宇宙のあらゆるものはゴムバンドのように伸びている。この動きは物理的な動きではなく、宇宙の本質の変化であるため、最もわかりにくい。この膨張を検証した主な情報源はエドウィン・ハッブルであり、彼はすべての銀河と遠方の天体が地球から遠ざかっていることを実証した。これはハッブルの法則として知られ、宇宙の膨張によって予測された。^[10]

銀河

天の川銀河は宇宙空間を移動しており、多くの天文学者は、この運動の速度は他の近隣の銀河の観測位置と比較して約600キロメートル/秒（1,340,000 mph）であると考えています。別の基準フレームは宇宙マイクロ波背景放射によって提供されます。この基準フレームは、天の川銀河が約582キロメートル/秒（1,300,000 mph）で移動していることを示しています。^[11]^{[検証に失敗]}

太陽と太陽系

天の川銀河は密度の高い銀河中心の周りを回転しており、太陽は銀河の重力の中で円を描いて動いています。中心の膨らみ、つまり外縁から離れると、典型的な恒星の速度は毎秒210〜240キロメートル（時速47万〜54万マイル）です。^[12]すべての惑星とその衛星は太陽とともに動いています。したがって、太陽系は動いています。

地球

地球は自転しています。これは昼夜によって証明されており、赤道では地球は東向きに毎秒0.4651キロメートル（1,040マイル）の速度で動いています。[ ^13]地球はまた、公転運動で太陽の周りを回っています。太陽の周りを一周するには1年、つまり約365日かかります。平均速度は毎秒約30キロメートル（67,000マイル）です。^[14]

大陸

プレートテクトニクスの理論によれば、大陸はマントル内の対流に乗って漂っており、地球の表面を年間約2.54センチメートル（1インチ）というゆっくりとした速度で移動しています。^[15]^[16]しかし、プレートの速度には大きな幅があります。最も速く移動しているプレートは海洋プレートで、ココスプレートは年間75ミリメートル（3.0インチ）の速度で前進し、^[17]太平洋プレートは年間52〜69ミリメートル（2.0〜2.7インチ）移動しています。その対極にある最も遅いプレートはユーラシアプレートで、通常は年間約21ミリメートル（0.83インチ）の速度で前進しています。

内部ボディ

人間の心臓は定期的に収縮して血液を体中に送り出しています。体内の大きな静脈や動脈では、血液は約 0.33 m/s の速度で移動することが分かっています。かなりの変動はありますが、大静脈の最大流量は 0.1 ～ 0.45 メートル/秒 (0.33 ～ 1.48 フィート/秒) であることが分かっています。^[18]さらに、中空の内臓の平滑筋も動いています。最もよく知られているのは蠕動運動で、消化された食物が消化管全体に押し出されます。さまざまな食物がさまざまな速度で体内を移動しますが、人間の小腸の平均速度は時速 3.48 キロメートル (2.16 マイル/時) です。^[19]人間のリンパ系も、余分な体液、脂質、免疫系関連物質を体中で絶えず移動させています。リンパ液は皮膚のリンパ毛細血管を約0.0000097m/sの速度で移動することが分かっています。^[20]

細胞

人体の細胞には、細胞内を移動する多くの構造物や細胞小器官があります。細胞質流動は、細胞が分子物質を細胞質全体に移動させる方法です。^[21]さまざまなモータータンパク質が細胞内で分子モーターとして機能し、微小管などのさまざまな細胞基質の表面に沿って移動します。モータータンパク質は通常、アデノシン三リン酸(ATP)の加水分解によって駆動され、化学エネルギーを機械的仕事に変換します。^{[22]モータータンパク質によって推進される}小胞の速度は、約 0.00000152 m/s であることがわかっています。^[23]

粒子

熱力学の法則によれば、温度が絶対零度以上である限り、物質のすべての粒子は一定のランダムな運動を続けている。したがって、人体を構成する分子や原子は振動し、衝突し、運動している。この運動は温度として感知できる。温度が高いほど粒子の運動エネルギーが大きくなり、人間は触れている物体から神経に伝わる熱エネルギーを感知して暖かく感じる。同様に、温度の低い物体に触れると、感覚は体から熱が逃げていくことを冷たさとして感知する。^[24]

素粒子

標準的な原子軌道モデルでは、電子は各原子の原子核の周囲の領域に存在します。この領域は電子雲と呼ばれます。ボーアの原子モデルによると、電子は高速であり、電子が周回する原子核が大きいほど、より速く移動する必要があります。電子が惑星が太陽の周りを回るのと同じように厳密な経路で電子雲の周りを移動するとしたら、電子は光速をはるかに超える速度で移動する必要があります。しかし、この厳密な概念化（電子はマクロな物体と同じように経路を移動する）に限定する必要はなく、むしろ電子を電子雲の境界内に気まぐれに存在する「粒子」として概念化することができます。^[25]原子核内では、陽子と中性子も、陽子の電気的反発と両方の粒子の角運動量の存在により、おそらく動き回っています。^[26]

ライト

真空中における光の速度は 299,792,458 m/s、つまり 299,792.458 キロメートル/秒 (186,282.397 マイル/秒) です。真空中の光の速度 (または) は、真空中におけるすべての質量のない粒子と関連する場の速度でもあり、エネルギー、物質、情報、または因果関係が移動できる速度の上限です。したがって、真空中の光の速度は、すべての物理システムの速度の上限です。 $c$

さらに、光速度は不変量です。つまり、観測者の位置や速度に関係なく、同じ値を持ちます。この特性により、光速度c は速度の自然な測定単位となり、自然界の基本定数となります。

2019年、光速はSI基本単位の7つすべてとともに「明示的定数定式化」と呼ばれる方法で再定義されました。これは、光速の場合と同様に、「各単位は、よく知られている基本定数の正確な値を明示的に指定することによって間接的に定義される」というものです。メートルの定義については、新しい、しかし完全に同等の文言が提案されました。「メートル、記号mは長さの単位です。その大きさは、真空中の光速の数値を正確に等しく固定することによって設定されます。SI単位系では299 792 458 ms ⁻¹となる。」^[27]この光速の暗黙の変更は、 2019年のSI改訂版（新SIとも呼ばれる）に組み込まれた変更点の1つである。^[28]

超光速運動

観測者には、ある運動が光速を超えているように見える。これらの物体から放出される相対論的ジェットに沿って移動するエネルギーのバーストは、光速よりも速く見える固有運動をすることがある。これらすべての源には、高速で質量を放出するブラックホールが含まれていると考えられている。光のエコーも見かけ上の超光速運動を生み出すことがある。^[29]これは、長距離での運動の計算方法によって発生する。多くの場合、計算では光速が有限であるという事実が考慮されていない。遠くの物体が空を横切って移動するのを測定する場合、遠くの物体からの光が私たちに届くまでの距離が長いため、観測されたものと実際に起こったことの間には大きな時間遅延がある。上記の単純な計算の誤差は、物体が地球に向かう速度成分を持っている場合、物体が地球に近づくにつれてその時間遅延が小さくなるという事実から生じる。つまり、上で計算した見かけの速度は実際の速度よりも大きいということである。同様に、物体が地球から遠ざかっている場合、上記の計算では実際の速度を過小評価することになります。^[30]

動きの種類

単振動- 物体が振動し、それに作用する復元力が物体の変位に正比例する運動。数学的には、力は変位の負に正比例します。負の符号は力の復元性質を示します。(例:振り子の復元力)。
直線運動- 直線的な経路をたどり、その変位がその軌跡とまったく同じになる運動。[直線運動とも呼ばれる]
往復運動
ブラウン運動– 非常に小さな粒子のランダムな動き
円運動
回転運動– 固定された点の周りの運動。(例:観覧車)。
曲線運動- 平面または 3 次元の曲線経路に沿った運動として定義されます。
回転運動 – (自転車の車輪のように)
振動型（左右に揺れる）
振動運動
組み合わせ（または同時）動作 - 上記の2つ以上の動作の組み合わせ
発射運動– 等速水平運動 + 垂直加速運動

基本的な動き

参照

偏向（物理学） - 衝突または力場による移動物体の軌道の変化
流れ（物理学） - 流れに関わる流体力学の側面
運動学 – 力を考慮せずに物体の動きを記述する物理学の分野
単純機械 – 力の方向や大きさを変える機械装置
運動連鎖 – 機械システムの数学モデル
電力 – 単位時間あたりに伝達または変換されるエネルギーの量
機械 – 動力機械装置
マイクロスイマー – 液体を移動できる微小物体
運動（幾何学） - 幾何学的空間保存構造の変形
モーションキャプチャ – 物体や人の動きを記録するプロセス
変位 – 移動する点の初期位置と最終位置を関連付けるベクトル
並進運動 – ユークリッド空間内での回転を伴わない平面運動

参考文献

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外部リンク

ファインマンの運動に関する講義
ウィキメディア・コモンズのモーション関連メディア

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