反応（物理学）

古典力学におけるニュートンの運動の法則の3番目で説明されているように、すべての力は対になって発生し、ある物体が別の物体に力を及ぼすと、2番目の物体は最初の物体に等しく反対の反作用力を及ぼします。^{[1] [2]} また、3番目の法則はより一般的には次のようにも述べられています。「すべての作用には、常に等しい反作用がある。つまり、2つの物体の相互作用は常に等しく、反対の方向に向けられている。」^[3] 2つの力のどちらが作用でどちらが反作用であるかは任意です。どちらかが作用であり、もう一方がそれに関連する反作用であると考えられます。

何かが地面に力を加えているとき、地面は反対方向に同じ力で押し返します。生体力学などの応用物理学の特定の分野では、地面によるこの力は「地面反力」と呼ばれ、物体が地面に及ぼす力は「作用」と見なされます。

ジャンプしようとすると、地面に対して下向きの力（「作用」）が加わります。同時に、地面はジャンプする人に対して上向きの力（「反作用」）を及ぼします。この上向きの力がジャンプする人の体重よりも大きい場合、上向きの加速が生じます。これらの力が地面に対して垂直である場合、垂直力とも呼ばれます。

同様に、車両の回転する車輪は地面を後方に滑ろうとします。地面があまり滑りにくい場合、これにより 2 つの摩擦力が発生します。車輪が地面に対して後方に作用する「作用」と、地面が車輪に対して前方に作用する「反作用」です。この前方への力が車両を推進します。

地球は、他の惑星とともに太陽の周りを回っています。太陽が重力を及ぼし、それが求心力として働き、地球を太陽に引き寄せているからです。そうでなければ、地球は宇宙に飛び去ってしまいます。太陽の引力が作用と考えられる場合、地球は同時に反作用として太陽に対して重力を及ぼします。地球の引力は太陽と同じ大きさですが、方向が逆です。太陽の質量は地球の質量よりもはるかに大きいため、太陽は一般に地球の引力に反応しないように見えますが、実際にはアニメーションで示されているように反応しています (正確な縮尺ではありません)。両方の物体の複合運動を正確に記述する方法は (現時点では他のすべての天体を無視します)、両方が複合システムの 重心 (天文学では重心と呼ばれます)の周りを回っていると言うことです。

地球上のあらゆる質量は、地球の重力によって引き下げられます。この力は質量の重さとも呼ばれます。対応する「反応」が、質量が惑星に及ぼす重力です。

物体が、例えば吊り下げられているケーブル、その下の表面、またはその物体が浮いている液体などによって静止状態を保つように支えられている場合、上方向の支持力（それぞれ張力、垂直抗力、浮力）も存在します。この支持力は「等しく反対方向の」力です。これはニュートンの第 3 法則によるものではなく、物体が静止状態を保つため力が釣り合っている必要があることからわかります。

この支持力には「反作用」もあります。物体は支持ケーブルを引っ張ったり、支持面または液体を押し下げたりします。この場合、等しい大きさの力が 4 つあります。

• F ₁ . 地球から物体に働く重力（下向き）
• F ₂ . 地球上の物体による重力（上向き）
• F ₃ . 物体に対する支持による力（上向き）
• F ₄ . 物体による支持部への力（下向き）

ニュートンの第 3 法則により、力 F ₁と F _{2 は等しくなります。力 F 3}と F ₄についても同様です。力 F ₁と F _{3 は}、物体が平衡状態にあり、他の力が加えられていない場合にのみ等しくなります (これはニュートンの第 3 法則とは関係ありません)。

質量がバネからぶら下がっている場合、前と同じ考慮が適用されます。ただし、このシステムがその後乱されると (たとえば、質量が上または下に軽く蹴られるなど)、質量は上下に振動し始めます。これらの加速 (およびその後の減速) により、ニュートンの第 2 法則から、観測された速度の変化は正味の力によるものであると結論付けられます。質量を引き下げる重力の力は、バネの上向きの弾性力と等しくなくなります。前のセクションの用語では、F ₁と F _{3 は}等しくなくなります。

しかし、ニュートンの第 3 法則により、 F ₁ = F ₂および F ₃ = F ₄であることが要求されるため、依然として真です。

「作用」と「反作用」という用語は、あたかも「作用」が原因で「反作用」が結果であるかのような誤解を招く因果関係を示唆する。そのため、2 番目の力が最初の力によって存在し、最初の力の後に発生すると考えるのは簡単である。これは誤りである。2 つの力は完全に同時であり、同じ理由で存在するのである。^[4]

力が人の意志によって引き起こされる場合（例えば、サッカー選手がボールを蹴る）、この意志的な原因はしばしば非対称的な解釈につながり、選手がボールに及ぼす力は「作用」、ボールが選手に及ぼす力は「反作用」とみなされます。しかし物理的には、状況は対称的です。ボールと選手に及ぼす力は両方とも、両者の近さによって説明され、その結果、一対の接触力（最終的には電気的な反発による）が生じます。この近さが選手の決定によって引き起こされるかどうかは、物理的分析とは関係ありません。物理学に関する限り、「作用」と「反作用」というラベルは逆にすることができます。^[4]

物理学の教育者がよく目にする問題の一つは、学生がニュートンの第3法則を、同じ物体に作用する「等しく反対方向の」力のペアに適用する傾向があることである。^{[5] [6] [7]} これは誤りである。第3法則は2つの異なる物体に作用する力について言及している。対照的に、テーブルの上に置かれた本は、下向きの重力（地球によって及ぼされる）とテーブルによる上向きの垂直力の影響を受けており、両方の力が同じ本に作用している。本は加速していないので、ニュートンの第2法則によれば、これらの力は正確に釣り合っている必要がある。したがって、それらは「等しく反対方向」であるが、同じ物体に作用しているので、ニュートンの第3法則の意味での作用反作用の力ではない。ニュートンの第3法則の意味での実際の作用反作用の力は、本の重さ（本に対する地球の引力）と、本が地球に及ぼす上向きの重力である。本はテーブルを押し下げ、テーブルは本を押し上げます。さらに、本に作用する力は常に同じ強さであるとは限りません。本が第 3 の力によって押し下げられたり、テーブルが傾いたり、テーブルと本のシステムが加速するエレベーター内にある場合、力は異なります。同じ物体に作用する力がいくつある場合でも、すべての力の合計を考慮することで対応できます。

この問題の原因として考えられるのは、第三法則がしばしば「すべての作用には、等しく反対の反作用がある」という形で述べられていることである^[8]。ただし、これらの力は2つの異なる物体に作用するという詳細は述べられていない。さらに、物体の重さと法線力の間には因果関係がある。物体に重さがなければ、テーブルから支持力を受けることはなく、重さによって支持力がどれだけ強くなるかが決まる。この因果関係は第三法則によるものではなく、システム内の他の物理的関係によるものである。

もう一つのよくある間違いは、「物体が受ける遠心力は、その物体にかかる向心力に対する反作用である」と述べることである。^{[9] [10]}

物体が向心力と等しく反対方向の遠心力の両方を同時に受ける場合、合力は消えてしまい、物体は円運動をすることはできません。遠心力は、計算や測定が非慣性基準系で行われた場合にのみ現れるという事実を強調するために、架空の力または疑似力と呼ばれることもあります。^[11]

• 地面反力
• 反作用遠心力
• アイザック・ニュートン
• イブン・バジャ
• 反動エンジン/ジェットエンジン
• せん断力

• ファインマン、RP、レイトン、サンズ (1970) 『ファインマン物理学講義』、第 1 巻、アディソン ウェスリー ロングマン、ISBN 0-201-02115-3。 
• Resnick, R. および D. Halliday (1966) Physics, Part 1、John Wiley & Sons、ニューヨーク、646 ページ + 付録。
• ウォーレン、JW（1965）物理学の教授、バターワース、ロンドン、130ページ。