ニュートンといえば、万有引力の法則を発見した物理学者で有名ですね。

だけど学校の物理の授業では別の用語でもニュートンについて知ります。


それが力の単位としてのニュートン(N)です。

そして同じくニュートンの運動方程式としても有名になっていますが、単位としてのニュートンはあまり聞きなれないですね。

具体的に、1ニュートンってどのくらいの力なのか説明できますか?

外国人男性

確か1kgの物体を持った時の力だっけ、あれ1gだったかな?

好青年

加速度とも関係があった気がするけど、どう定義するんだろ?

こんな感じでいまいち具体的なイメージが湧きづらいですね。

僕自身も学校の物理の授業で習って混乱した記憶がありました。

今回は1ニュートンの定義について、徹底的にわかりやすく解説していきますよ!




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1ニュートン(N)の力ってどのくらい?

では結論からになりますが、1ニュートン(以下「N」で統一)の力のイメージをわかりやすく解説するとこうなります。

1Nとは、100gの物体を持った時に感じる力

これが1Nの力となるのですが、どうでしょう?

因みに身近なもので100gかそれに近い物体って何があるのかといいますと、

  • みかん一個
  • きゅうり一個
  • セロリ一本
  • 小さめのトマト半玉
  • アスパラガス1束
  • 100万円札
  • デスクトップ用パソコンのマウス

などがあります。

女性キャスター

1万円札1枚がだいたい1gだから、100万円の札束がほぼ100gだよ

これらの物を持ち上げた時に感じる力が、だいたい1Nだと思ってもらえればOKです。


ではどうしてこんな例になるのでしょうか?ここからはNの定義について詳しく見ていきます。

Nの定義をより詳しく!

力の単位であるニュートン(N)の定義を詳しく説明しますと、こうなります。

1Nの定義

1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力

ここでいきなり加速度という言葉が出てきましたが、加速度と言いますと以下に示す運動方程式が有名ですね。

F=ma(F:力、m:質量、a:加速度)

高校物理で嫌というほど登場する運動方程式ですが、これってまさにニュートンの定義そのものを意味します。

すなわち「1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力が1Nとなる」ということは、

  • 左辺のFが1、単位がN
  • 右辺のmが1、単位が㎏
  • 右辺のaが1、単位が㎨

なので、上の式のように計算すれば、ちゃんと「左辺=右辺」となります。

因みにこの式より、1Nの単位については以下の定義も成り立ちます。

N=kg・㎨

言い換えれば、基本単位であるNは「㎏と㎨の掛け算」となるわけです。

因みに豆知識になりますが、力の単位の名称こそニュートンとなっていますが、この名称をつけたのはニュートン本人ではありません。

ニュートン自身は、ニュートンの運動方程式(別名「運動の第2法則」)「F=ma」の式を発見したに過ぎません。

発見した当初は力Fは、時間tに依存する関数という形式で、単位については何も定義されていませんでした。


すなわち単に「F」ではなく、「F(t)」という表記だったのです。

これは簡単に言えば、「速度も加速度も時間tの関数で、加速度は速度の微分だから」となるのですが、難しいのでここでは説明を省略させていただきます。

この運動方程式をもとに、「1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力が1N」であると決めたのは、20世紀になってからで、イギリスの物理学者によって提唱されました。




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1Nがどうして100gの物を持った力になるの?

さて以上が1Nの定義についての解説でしたが、ここで最初に紹介した1Nの具体的な力の例がわかりづらいと思います。

1Nの定義というのが、「100gの物を持った時の力」でしたね。


だけど正確な定義は、「1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力が1N」でした。

全然イコールじゃないじゃないか!

と言いたくなりますね(;’∀’)


だけどこの2つが実はほぼイコールになるんです。

ちょっとイメージがしづらいかもしれませんが、ここでもう一つの力の単位であるキログラム重(㎏f)も知る必要が出てきます。

キログラム重(㎏f)とは?

力の単位としてもう一つ有名なのが、キログラム重(㎏f)です。

別名「重量キログラム」とも言いますが、実はこの単位は工学の世界ではよく使われています。

その定義というのは実はNの定義と少し似ていますが、こうなります。

1㎏fの定義

1㎏の質量のある物体にかかる重力の大きさ

Nとの違いは、加速度の部分が重力になっていることです。

実は重力は正式には「重力加速度」と言って、加速度の一種です。

しかしNとは加速度の数値が違っていて、1㎨ではなくおよそ9.81㎨と定義されます。


すなわち1㎏fとは「1kgの物体に9.81㎨の加速度を与える力」と同じ意味になります。

これは言い換えれば、「1㎏f=9.81N」という見方もできるわけです。

金髪の若者

体重50kgの人は、490Nの力が働いているってことだね。

男性1

地球にいる全ての物体に重力はかかっているけど、これは重力加速度が常に下方向に加わっているということなんだ。

Nを㎏fで置き換えよう!

もうここでおわかりかと思いますが、1Nを㎏fの単位で置き換えてあげれば、ちょうどその分の重さを持った時に感じる力とイコールとなります。

1Nの正式な定義が、「1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力」で、これは1kgの物体を押して1㎨の加速度を生じさせる必要があります。


でもキログラム重で置き換えるなら、別に手で押すだけでなく、手で持つだけでいいのです。

なぜなら「重力」という、下に押す力が勝手に働いているから!

図で示すとこうなります。

上の画像を参考にすると、手に持つ物体は既に9.81㎨の加速度が発生しているので、その分1kgより軽くなるのは明白ですね。

ではちょうど1Nの力と同じようになるには、手に持つ物体の質量は何kgになるのでしょうか?

先ほど上で示した等式を参考にすると、その物体の質量も判明します。

すなわち「1㎏f=9.81N」なので、ここで両辺を9.81で割れば、

1(N)=1/9.81(㎏f)≒0.102(㎏f)

「1N≒0.102㎏f」であることが導けました。

0.102㎏fとはキログラム重の定義から「0.102㎏の物体を持った時に感じる力」、0.102㎏は約100gなので、ここでやっと1Nの具体的な力の大きさと結びつきましたね。


仮に1㎏の物体を持った場合は、単純計算で10Nとなります。

これも身近なもので例えてみますと、1㎏かそれに近い物体は

  • 牛乳1Lの箱
  • お茶1Lのペットボトル
  • 1000万円札

などがあります。

つまりこれらの物体を手に持てば、だいたい10Nの力を感じることになります。

水1Lが1㎏と等しいので、ある意味では日常生活で頻繁に感じている力とも言えますね。

※水1Lの定義を詳しく知りたい方はこちらの記事をどうぞ!

N⇔㎏fの換算で耐荷重量を知ろう!

以上のことから、例えばいろいろなニュートン単位で記載された力の数値も㎏重で換算できます。

特に最近ではアンカー(コンクリートに固定したり取り付けたりする際に使用するねじ)や棚受け、金具などに耐荷重表記がされる物に対しては、ニュートン単位で統一されています。

例えば

  • 5kN:5000Nなので0.102×5000=510㎏f
  • 2MN:2.0×10⁶Nなので0.102×2×1,000,000=204,000㎏f

と言った感じにそれぞれ換算されます。

㎏f表記ならそのまま体重とか重さを計ることでわかるので、Nだといちいち換算しないといけないから面倒ですよね。

わかりやすくさくっと暗算したいなら、「1Nで0.1キログラム」なのでだいたい0.1倍した数値が、耐荷重量なんだと思っておきましょう。


※また現在アメリカなど一部の国ではキログラム表記ではなく、ヤード・ポンド法によって重量はポンドやオンスで表記されています。

1ポンドと1オンスの重さとキログラムへの換算は以下の記事をどうぞ!

まとめ

以上で力の単位「ニュートン」の定義と㎏fへの換算の解説を終わります。では内容をまとめましょう。

  • 1Nとは、1㎏の質量のある物体に1㎨の加速度を生じさせる力
  • 1Nは、100gの物体を手に持った時に感じる力
  • 1㎏fとは、1㎏の質量のある物体にかかる重力の大きさ
  • 1Nを㎏fで換算すると、「1N=0.102㎏f」
  • 耐荷重量で㎏fへ換算したい時は、Nの数値を0.1倍すれば良い

ニュートンという力の単位は、理解が深まったでしょうか?

単なる運動方程式や万有引力の法則だけのイメージが強いので、ニュートンだけではどうも力という単位をイメージしづらいのも確かです。

だけど現在では耐荷重量でもニュートンが用いられています。

こればかりは国際的な決まりでそうなったので、仕方ないですが、実は天気予報の気圧の単位もミリバールからヘクトパスカルに変わった経緯があります。

いろいろな単位が出てきて本当にややこしいと思います。

これについては世界中には様々な言語が存在するのと同様で、共通で理解できる単位も恐らくないということなんですね。




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