束縛力は分子間力の合力: 糸の張力と面の抗力を未知数で表すわけって…？
力とは何なのか？せめてミクロな視点から何が由来になっているのか？
高校物理を学ぶ時、物を変形させたり物の速さを変えたりする力には「接触力」と「遠隔力」があると習うーー。特に前者については、垂直抗力だの摩擦力だの張力だの……が紹介されるが、ここまでの説明ではまとまりが悪く、その点を『新・物理入門』を参考に学ぶ。
物質を構成する素粒子の間には、万有引力、電磁力(クーロン力+ローレンツ力)、強い力、弱い力の4つの相互作用がある。それぞれ、重力子(2023年現在未確認)、光子、グルーオン、ウィークボソンが力を伝達する。
分子間力は内部の荷電粒子(電子、原子核)同士のクーロン力の合力であって、巨視的な物体間の力としては、万有引力と電磁力しかない。
つまり、接触力に含まれる力は、摩擦力(後述する)以外全てクーロン力が由来の分子間力の合力である。
分子間力は、接近し合うと斥力、離れれば引力を及ぼし合う。ただし、離し過ぎると力は0になる。そのため、多くの物体は、引き伸ばせば縮もうとし、圧縮すれば膨張しようとする弾性をもつ。音波を伝える役割である。*1
ばねの場合、ある変位までは変位に比例した復元力が働くということから、復元力を求められるが、糸の張力、面の抗力(束縛力)は求められない。糸は、引っ張ったとき正確には少し伸びていて、その結果分子間に引力が生じ、面は、何か置かれたとき少しへこんでいて、その結果分子間に斥力が生じる。これら微小な変位の変化による引力・斥力の合力を求めるのは困難であり、力の図示や運動方程式を立てる際、未知数のまま表す。
他の教科書には、ここまでの説明は載っていない。他方、摩擦力には説明が割かれていない。摩擦力は4つの相互作用の合力ではなく、物体表面の状態が由来であり実験結果に基づいた式を扱う。結局のところ、糸の張力と面の抗力は力の向きが逆なので別物と紹介され扱うのだと思う。
『新・物理入門』は決して背伸びするための本ではなく、このように物理を根本から説明してくれる本である。
【追記】
高校時代は、変に頭が良く(自分の感覚をあまり信用しておらず、自分の感覚器官や距離感覚から離れ、自然そのものを捉えようとしていた)、分子レベルで起きていることをまとめ過ぎている高校の物理に違和感を抱き続いてきたと思う。もし、これが、1つのポリシーに過ぎないなら、自分は元々還元主義者だと思う。やはり「張力」や「垂直抗力」は、人間の生活の中に、糸や地面があってこそ初めて名付けられ考えている(私からすると、クーロン力の方が自然界に迫っている)という点から、高校物理は自然そのものを捉えようとはしていないと思う(つまり工学的)。だから、高校物理が得意な人は、工学部に適しており、高校物理で躓くような人こそ、むしろ理学部の理論的な物理学、あるいは、数学や哲学に適しているのではないか、と思う。いずれにせよ、工学的な方が成績は良い(わかる、より、できる)ので、私はそれが嫌だった。
課題点
・ゲージ粒子による相互作用の伝達の具体的理解
*1:小学校の理科では、空気鉄砲と水鉄砲を別個にして扱う。水にも弾性があるために音波が伝わるのであり、水に弾性がないかのように誘導しやすいので戸惑いを感じやすい。
