コインの衝突実験の結果について －炉端老人の手紙－

　先日のコインの衝突実験の結果を届けてくれて有り難う。
よくよく観察して、わかり易く書かれていたので感心したよ。

　10円玉を３つ使い、平らな表面に二つのコインをくっつけておいて、もう一つのコインをぶっつける実験では、「ぶっつけたコインの速度とほぼ同じ早さで同じ方向にコインが飛び出し、真ん中のコインは停止したまま」と書かれていたね。その通りで、このことは前にも言ったが高等学校で物理の授業を受けると運動量保存則を説明するための、わかり易い実験なのだよ。もっともこの実験には、コインではなく紐で吊した鉄球をいくつか並べた実験装置があり、片側の玉を一つ持ち上げてぶつけると反対側の玉が一つはね飛ばされ、２つ、３つの玉と持ち上げる数を変えるとその数だけ反対側に玉がはね飛ばされる装置を使うけどね。

　中間のコインは動かないことを観測したね。ぶつけたコインの衝撃力が、真ん中のコインには伝わるだけだ。この伝わる様子は中学生に説明するのは難しい。この老人も細かいことまではわからないが衝撃力の応力伝搬波が生じてそれが伝わると説明している。この伝搬速度は物質の音響伝搬速度とほぼ等しいことがわかっているから、物質の中では圧縮と膨張を繰り返す力が加わっていると考えてよさそうだ。このとき衝撃によって生じる力のことをパルスというよ。ヒトを含めて神経細胞の中に生じる電気信号とか、筋肉を動かす電気信号もパルスに近い。

　二つのコインの衝突実験についてだが、この炉端老人にも、わからなことがある。
静止したコインに別のコインをぶつけると衝突されたコインはほぼ同じ速度で動きだす。このとき衝突した方のコインは停止する。この現象は運動量保存則で説明できる。
しかしながら、停止したコインを指で押さえたまま別のコインをぶつけたらどうなるかは実験でわかった通りだね。「ぶっつけたコインは、跳ね返る」と予想したようが、跳ね返らずに停止した。その理由は、高等学校で習う運動の法則、いわばニュートン力学だけでは説明できない。この炉端老人もこの現象をどのように説明したらいいか、考えているところだよ。

　この疑問は、一円玉と五百円玉の実験は、ますますわからない。
・静止した五百円玉に一円玉をぶっつける
　「五百円玉は、ぶつけられた方向に少し動くが、一円玉は跳ね返る」と結果が書かれているが、その通りだ。ニュートン力学の運動量保存則から理論的に解釈すると、一円玉の持っている運動量によって五百円玉は、その運動量に見合った分だけ動いて一円玉は停止することになるはずだが、そうではない。どうしてだろうか。
　この老人の解釈としては、一円玉の持つ運動エネルギーが五百円玉の質量が大きいために持っている運動エネルギーを伝達できないために一円玉に運動エネルギーが残って跳ね返されると思わざるを得ない。いわば反射現象が起こっているね。少しばかり中学生にとっては難しいかも知れないが、この老人が若い頃に習った電気の学問ではインピーダンス整合と同じように思える。

・静止した五百円玉を手で押さえておいて、一円玉をぶっつける
　「一円玉ははねかえる」とだけ書かれているね。それでいいが、より正確に観察すると一円玉の跳ね返る距離は五百円玉が動いた上の実験より跳ね返りが大きいのではないだろうか。この実験はぶつける一円玉の速度を一定にしないと、よくわからないから手でぶつけるだけでは正確にはわからないだろう。　

・静止した一円玉に五百円玉をぶっつける
　「一円玉と五百円玉も同じ方向に動くが、一円玉は早い速度になる」と書かれている。このことは、五百円玉の運動エネルギーが一円玉につたわることで、運動量保存則のニュートン力学で説明できる。ただし五百円玉が同じ方向に少しばかり動くことは、どのように説明したらよいか、この老人は悩むところだ。

・静止した一円玉を手で押さえておいて、五百円玉をぶっつける
　「五百円玉は一円玉にくっつくようにして止まる」と書かれている。その通りだ。
この現象もニュートン力学だけでは解釈できない。多分高等学校の物理の先生もこの説明には頭を抱えるのではないだろうか。
　現象としてみれば、大きな質量の運動エネルギーは、停止した小さな質量の物体にすべて加わることを意味している。地震のとき、大きな質量の岩盤の運動エネルギーは、その上に建てられた質量の小さな建築物に、その運動エネルギーがほとんどすべて伝わることがこの五百円玉と一円玉の実験から言えるのではないだろうか。大きな岩盤の上に立てられた建築物は地震にも強いというのは、正しくないかも知れないね。

　暑いときに、コインをぶっつける簡単な実験から多くのことを学んだが、こんな簡単な実験でもよくわからないことが残っているように思われるね。
　この炉端老人の勉強不足から知識が足りないこともあり、すべての実験結果について解説できなかった。この手紙を読んだ方から、コメントがあるかも知れないので期待して待つことにしよう。
（応）