宇宙は無重力のイメージが強く、宇宙に出た途端に重力が無くなると考えている人もいます。

宇宙ステーションには遠心力が働いています。この遠心力によって重力が相殺され、宇宙ステーションの中にいる人にとっては無重力になっているのです。 宇宙ステーションは1時間半で地球を一周する速度で飛んでいます。新幹線が時速280kmですが、宇宙ステーションは時速28,000km。100 宇宙に行くためには、高く上がるだけではダメなのです。それだけでは必ず地球に引き寄せられ、落下してきます。どんなに高く上がってもダメです。月のある高さまで行っても、冥王星のある遥か彼方まで行っても、重力に打ち勝つことはできません。必ず引き寄せられます。重力は性質上、無限の彼方まで離れるとゼロになります。けれどもどうやら私達の住む宇宙は有限のようですから、極端な話をすると無限の彼方というものはありません。太陽系の端まで行っても、銀河の端まで行っても、どこまで行っても重力からは逃げられません。 重力についても同じにすることが望ましいため、コロニーを自転させることで生ずる遠心力で代用しようと考えられています。 米国航空宇宙局( NASA )は1970年代に、この考えに沿ったスペースコロニーの構想案を作成しました。 このような問題を解決するために、宇宙ステーションで人工重力を生み出すことが計画されています。日本も開発に携わっていた実験では、遠心力で重力を作るという予定でしたが、2005年に中止が決定されましたが、このようなアイデアはすでにSF小説や映画では多く登場しています。 特殊なひっかけ話ではありません。宇宙はどこでも重力があるのです。私達の知っている宇宙の常識とだいぶ違うので、不思議に思いますよね。この重力の不思議な話に、ちょっとお付き合いください。, 宇宙を無重力と勘違いしてしまう原因は、宇宙ステーションからの映像やスペースシャトルの船外活動の映像からでしょう。 重力があるから、宇宙ステーションはとどまり続けることができています。そして重力を利用して人間は宇宙ステーションの中に無重力の世界を作り出したのです。この宇宙ステーションが非常に特殊なだけであり、私達の持っている認識「宇宙=無重力」というのは誤解なのです。 それでは困るので落ちないように高速で地球を周回し、ちょうど重力と釣り合うように遠心力を生み出しています。 実はこれ、大きな誤解なんです。「そんなバカな!」と思われるかもしれません。しかし、宇宙は無重力ではないんです。「無重力でないのなら、重力があるの?」。はい、その通りです。宇宙には重力があります。 なお、この速度がとても重要で、速度は速すぎても遅すぎてもいけません。遅くなると遠心力が弱くなり、重力に負けて地球に落ちてきます。役目を終えた古い人工衛星が地球に落ちてくるのはこういう理由です。逆にもっと速くなったら、地球の重力を振り切り、飛んで行ってしまいます。太陽系を探索して回ったボイジャーや火星探査機などはこの仕組みを利用しているのです。宇宙ステーションは重力と遠心力がちょうど吊り合っている速度なので、ずっと地球の近場を飛んでいられるのです。 しかし惑星に近い場所は重力の影響にそれほど変わりはなく、地球の上空数百km程度では重力は10%ぐらいしか減りません。, 国際宇宙ステーション(ISS)も地球の重力の影響をモロに受ける場所にあり、何もしないと地球に落ちていきます。 重力に関する言葉は、英語の gravity の頭文字を取って G と略されることがある。たとえば、物理学の文献においては慣習的に、天体の表面重力を小文字の g、万有引力定数を大文字の G を用いて表す。日本語の「重力」は、オランダ語の zwaartekracht を「zwaarte(重さ)」と「kracht(力)」に分けて意訳されたものである。, 重力という表現は、宇宙論などの領域では万有引力と同一として扱われることがある[2]。, 地球上のことについて論じている場合は、地球上の物体に対して働く地球の万有引力と地球自転による遠心力との合力を指している[2]。また、人工衛星のように、地球の自転とは無関係な物体の運動について論じている場合は、遠心力の成分は除いて扱うことになる[2]。, 加速度の単位は、国際単位系においてはニュートン(N)であるが、日本の計量法は特殊の計量である「重力加速度又は地震に係る振動加速度の計量」に限定して、CGS単位系における加速度の単位である「ガル (Gal)」および 10-3 (1000分の1) のミリガル (mGal)の使用を認めている。1 Gal = 0.01 m/s2 = 0.01N = 1 cm/s2 である。, 地球上で質量が 1 kg の物体に作用する重力の強さは、約 9.8 N でほぼ一定である[2]。だが、精密に調べてみると重力の度合いは地球上の場所により、あるいは時間によっても変化している[2]。, 重力や重さに関する議論は、古代ギリシャ初期の段階から行われていた形跡があるという[3]。, 影響力の大きかった人物はアリストテレスである[3]。彼は『自然学』を著し、物の運動等についても体系的に論じた。彼の宇宙観では、天界と地上はまったく別世界であり、天体はエーテルでできていて、地上の物体は四大元素でできていると見なした。そして《重さ》と《軽さ》というのは、地上界にある物体に特有の一対の内在的な性質だと見なした[3]。古代ギリシャでは、コスモス(世界・宇宙)の中心に地球があると考えられていたので、アリストテレスもそう考えていた(地球中心説)。アリストテレスにとって、物の落下するということはコスモスの中心へ接近することであり、上昇するということはコスモスの中心から離れてゆくことを意味した[3]。《火元素》を含むものが《軽さ》を内在しており、地中から離れ天へと向かいたがり、石などには《土元素》が含まれており、《土元素》はコスモスの中心に帰りたがる性質を持っているのだ、とした。その《土元素》をより多く含んでいるものが、より大きな《重さ》を内在している、とした。またその速さについては、《土元素》を多く含むものが速く落ちる、とした。, 例えば、小石を空中に投げれば、小石は本来の位置から離されることになり、小石は一旦は抵抗を示しながら上に上がるが、結局はできるだけ速やかに、その本来の位置である地に戻ってこようとする[4]。, (太陽中心説というのは一応アリスタルコスも唱えていたとされるが[5])16世紀にヨーロッパでニコラウス・コペルニクス (1473 - 1543)によって太陽中心説が唱えられると、(それがすぐに受け入れられたわけではないが)もしこれを受け入れた場合、アリストテレス的な《重さ》《軽さ》の概念は根底から考え直さざるを得ない、ということになった[3]。, コペルニクスは、重力というのは、各天体の部分部分が球形になりたがり一体化しようとする自然的な欲求だ、とした。一方《軽さ》というのは、重さの少ない物体が持つ“偶有的性質”だとされた[5]。, フランスのデカルト (1596 – 1650年)は、著書において渦動説を展開し重力を説明した。世界にはエーテルが満ちており、ちょうど渦に木切れが吸い寄せられるように、エーテルに渦が起きるとその渦の中心に物体は引き寄せられる、こうして物体は地球に引き寄せられる、と説明した。, ドイツのケプラー (1571 – 1630年)は、重力というのは似たもの同士が引き合う力(引力)であり、この引力は潮の満ち引きという(月の変化の周期と連動する)現象から推察するに、地球と月との間にも作用している、と見なした[3]。, ガリレオ・ガリレイ(ユリウス暦1564年 – グレゴリオ暦1642年)は重さと落下の速さとは無関係であることを実験で見出した。, オランダのホイヘンス (1629 – 1695年)は1669年から1690年にかけてデカルトの渦動説を検討し精密化した。ライプニッツも渦動説の流れを汲んだ理解をしていた。, アイザック・ニュートン (1642 - 1727)は、天体の運動も地上の物体の運動もひとつの原理で説明できる、とする説(万有引力)を『自然哲学の数学的諸原理』で発表した。天界と地上の区別がとりはらわれており、宇宙全域の物体の運動を同一の原理で説明しており、地上のgravityというのも万有引力の一つの現れとされている。, また(上でも述べた)ホイヘンスは、遠心力の公式を発見した。地球の自転はすでに明らかになっていたので、重力は万有引力そのものではなく、万有引力と地球の自転による遠心力との合力だということになった。, エルンスト・マッハ (1838 - 1916)は、「慣性力は宇宙の全質量の作用として考えなければならない」[6]とした。例えば、回転するバケツの水面をへこませる慣性力についてマッハは、「慣性力はバケツが絶対空間に対してまわったから発生したのではなく、宇宙の物質が回転するバケツに、ある作用を及ぼした結果、発生した」[7]と考え、「バケツがまわることと、バケツを止めて宇宙をバケツのまわりに逆回転させることは同等である」[7]とした(マッハの原理)。, マッハの原理は、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論により体系化された。一般相対性理論によれば、万有引力も慣性の力も等価(等価原理)であり、共に、時空の歪みによる測地線の変化である。ただ、万有引力と慣性の力とでは歪みの原因が異なるにすぎない。, アインシュタイン方程式からは、時空の歪みの源は質量ではなく、エネルギーと運動量からなるエネルギー・運動量テンソルで決まることがわかる。つまり、質量(エネルギーに比例)だけでなく運動量も時空を歪め、重力を生む。質量は引力を生むのに対し、運動量が生む重力は、引力でも斥力でもない慣性系の引きずりという形を取る。慣性系の引きずりは自転するブラックホールであるカー・ブラックホールで顕著である。, 素粒子物理学では、一般相対性理論での重力を量子化し、量子重力理論にしようとする試み(量子化された重力は重力子と名づけられている)や、重力は自然界に働く4つの力の他の力である電磁気力、弱い力、強い力との統合が試みられている。, 概説で述べたように、同じ地球上でも場所によって重力の大きさ(重力値)は異なり、向きも異なる(重力の向きは、一般に遠心力の影響で地球の中心からずれている。地球の中心からどの程度ずれているかは、おもに緯度によって決まる)[2]。, 地表面に存在する物体にはたらく地球の重力は、地球を構成する無数の質点がそれぞれ物体を引く微小な力(これらの力の大きさは距離の2乗に反比例して小さくなる)の合力に、さらに自転による遠心力を合成したものである。ところが、地表面のある地点から見たときの地球表面および地球内部の物質分布(密度分布)は必ずしも同一ではなく、場所によって少しずつ異なる。これに加えて、地球は完全な球体ではなく(回転楕円体で地表面には凹凸がある)、遠心力の大きさも緯度により異なる。したがって、上記のような力の合成の結果として生ずる重力の大きさや向きは、当然ながら場所によって異なる。 上空200~400kmの低軌道衛星やISSの重力は90%、36000km離れた静止軌道衛星の重力は2%、40万km離れた月における地球の重力は0.025%ほどになるでしょうか。, そんな訳で地球の周囲には強い重力があるものの、人工衛星やISSは遠心力によって釣り合いを取っているため無重力状態になっているという話でした。, スペースシャトルが地上に戻る時や役目を終えた人工衛星を廃棄する時には、速度を落として遠心力を弱めることにより地球へと降りていきます。 その遠心力のおかげで無重力状態となり、地球に落っこちなくて済んでいるという訳です。, ニュートンは「月もリンゴと同じように落ち続けている」と言ったとか言ってないとか諸説ありますが、そんな月が地球にぶつからないのは重力と遠心力が釣り合っているからですよね。 したがって、擬似重力の重力加速度は 9.8[m/s 2] よりも小さめに設定されると思われる。しかし、どの程度の重力が適切かという判断が難しいので、ここでは敢えて地球と同じ条件で考えることにする。 【遠心力に由来する疑似重力発生システムの問題点】 では、空ではなく地上で比較するとどうなるのでしょう。400kmというと、ちょうど東京から大阪までの距離です。と聞くと、宇宙ステーションは実は結構近場を回っているんだなと感じられますね。

宇宙ステーションは1時間半で地球を一周する速度で飛んでいます。新幹線が時速280kmですが、宇宙ステーションは時速28,000km。100倍です。とてつもない速度です。この速度で飛ぶことで、重力を打ち消すような遠心力がかかります。ですから、宇宙ステーションの中の無重力は自然にあるものではなく、人間が作り出した無重力環境ということになります。つまり、宇宙ステーションの中にいる人だけが無重力のように感じられるのです。 前回、私は風船を使った宇宙開発をしていると書きました。「宇宙は無重力なのに、装置はどうして戻ってくるの?」とよく問いかけられますので、今回は宇宙と重力のお話をしたいと思います。, テレビニュースなどで映し出されるISS国際宇宙ステーションからの映像では、人がふんわり浮いていますよね。誰もが知っている映像ですので、一度は見たことがあるのではないでしょうか。このような映像を幾度となく見ていると、宇宙=無重力が当然の真実であるととらえてしまうものです。 宇宙ステーションが無重力になる原因、それは遠心力です。遠心力は車がカーブしたときに外側に投げ出されそうになる、あの力でもあります。宇宙ステーションには遠心力が働いています。この遠心力によって重力が相殺され、宇宙ステーションの中にいる人にとっては無重力になっているのです。 国際宇宙ステーション(iss)も地球の重力の影響をモロに受ける場所にあり、何もしないと地球に落ちていきます。 なぜ重力のあるissで無重力のように振舞えるのかと言えば、とんでもない速度で地球を回って遠心力を付けているからです。 宇宙ステーションやスペースシャトルは、高度約400kmの場所を飛んでいます。高度400kmといってもあまり実感が湧きませんので、飛行機の飛ぶ高度を引き合いに出すと、国際線の旅客機などが飛んでいるのは高度12km程度です。ここから先の高さだと、私達に身近なもので例に出すなら、月でしょうか。月は大体380,000km遠くを回っています。しかし月だと遠すぎて実感がわきませんね。 どこから宇宙なのかは明確には決まっていませんが、大体は上空100kmよりも上を宇宙と呼びます。, 月や太陽と比べると人工物は地球のほんのすぐ側にあることが分かりますね。 しかし墓場軌道に移動させるのも結構コストがかかる上に難しいため、実際は移動せずにそのまま周り続けているものも多いそうです。 宇宙船の中のような無重量の世界で,人工的につくりだされる重力のこと。 1966年9月 14日,アメリカのジェミニ 11号は,無人のアジェナを長さ 30mのロープで結んでぐるぐる回転させ,初めて人工重力をつくり出した。 回転によって生じた遠心力が人工重力となって働くからである。 なぜ重力のあるISSで無重力のように振舞えるのかと言えば、とんでもない速度で地球を回って遠心力を付けているからです。, 地球から真上に飛ぶとやがて宇宙に辿り着きます。 一体何が起きているのかと言えば、無重力ではありませんが「無重力状態」になっています。, ISSを上空400kmに静止させた場合、そのままでは地球の重力に捕まって落っこちてきます。

宇宙ステーションには遠心力が働いています。この遠心力によって重力が相殺され、宇宙ステーションの中にいる人にとっては無重力になっているのです。 宇宙ステーションは1時間半で地球を一周する速度で飛んでいます。新幹線が時速280kmですが、宇宙ステーションは時速28,000km。100 それらと比べて遥か遠くにある月や太陽ですが、その引力は地球まで届いて潮の満ち引きなどの形で影響しています。, スペースシャトル・低軌道の人工衛星・ISSなどは地球の至近距離にあると言っても過言ではなく、普通に地球の重力の影響下にあるため無重力ではありません。 とんでもない高速で降りてきた物体は前方の空気を強烈に圧縮して膨大な熱を発し、人工衛星はその熱で燃え尽きてしまいます。 この軌道を「墓場軌道」と言います。, 墓場軌道には数千機の人工衛星が周回しており、半永久的に地球を周り続けると考えられています。 まとめると、重力に影響を与える要因として、主に次の5点があげられる。, 高度が増加するとゆるやかに重力値が減少してゆくわけであるが、その減少の度合いというのは地表付近では 1 m あたり 0.3086 mGal(ミリガル)程度である[2]。ただしこれも場所により1割程度の変動はある[2]。, 2番目の「地形の影響」というのは、険しい巨大な山岳などのふもとでは、山が上向きの引力(万有引力)を及ぼしていることなどを意味しており、山岳地帯ではこうした影響は数十 mGal に達する[2]。, 5番目の地球の内部構造(地下構造)に起因する重力値の過大や過小を重力異常と言う[2]。, 単に重力加速度といった場合は、地球表面の重力加速度を意味することが多い。重力加速度の大きさは、緯度や標高、さらに厳密に言えば場所によって異なる。, ジオイド上(標高0)の重力加速度は、赤道上では 9.7799 m/s2と最も小さくなり、北極、南極の極地では 9.83 m/s2と最も大きくなる。赤道と極地との差の主な理由は自転による遠心力であるが、自転以外にも地殻の岩盤の厚さ、種類、地球中心からの距離などによる影響も若干受ける。このため、重力を精密に測定し、標準的な重力と比較することで地殻の構造を推定することができる。測定手法には絶対重力測定と相対重力測定があり、日本では国土地理院が日本重力基準網として基準重力点を設定している。, 国際度量衡会議では、定数として使える標準重力加速度の値を g = 9.80665 m/s2と定義している。, 前節で述べたように、重力は、地球を構成する質点が物体を引く力の合力であるから(地球の中心での重力を考える場合は遠心力は無視してよい)、仮に地球が完全な球体であって、内部の物質分布も地球の中心に対して対称であれば、地球の中心では全方向から同じ大きさの力で外側に向かって引かれる状態になるので、すべての力が互いに打ち消し合って、重力は0になる。, 古典力学で説明される重力とは、他の質量から受ける万有引力(以下「引力」)と、慣性力との合力である。, 例えば、地球表面に存在する物体は、地軸のまわりを等速円運動しているため、地軸に対して垂直に、下記の慣性力(この場合、遠心力)を受けている。, したがって、実際に観測される重力は、引力と遠心力の合力となる。引力は、地球が球対称ではないため厳密にではないが、ほぼ地球の中心方向に向かう。それに対し重力は、遠心力が加わるため、地球の中心方向からやや赤道寄りに(北半球なら南寄りに)ずれ、大きさはやや小さくなる[8]。, 慣性の力は座標系に依存するため、重力も座標系に依存する(引力は座標系に依存しない)。そして、基準となる座標系は時と場合により異なる。通常は地球の自転と共に動く回転系で考えるが、乗り物の中などでは乗り物の座標系で考えることもある。たとえば乗り物に乗って「Gがかかる」とか「重力がかかる」といった場合は、乗り物の座標系で考えている[要出典]。, 一方、天文学や宇宙開発では、宇宙空間のことは適当な慣性系で考えることが多い。すると、慣性の力は存在しないので、重力という言葉を引力と同じ意味で使うことになる。たとえば人工衛星の運動を絶対座標で説明すると、「重力(= 引力)が向心力となって回転運動をしている」となる。あるいは、暗黙のうちに極座標系で考え、「重力(= 引力)と遠心力がつりあっている」となる(極座標で考えているので、地球との距離が変わらない状態が釣り合いである。また、ここで言う遠心力とは慣性力ではなく、座標系が直交座標系でないことによる見かけの力である)。一方、人工衛星の座標系で考えれば、引力と遠心力(慣性力)が釣り合っており、その合力である重力はゼロ、つまり無重力である。しかし重力がゼロかどうかは、このように座標系によるので、無重力という言葉を避け「無重量」と言うこともある[9]。, 相対性理論においては、重力は質量に比例する力なので、その比例定数は加速度の次元を持つ。これが重力加速度である。重力以外の力がないときは(自由落下)、あらゆる物体は、質量その他の属性にかかわらず、重力により重力加速度に等しい加速度を受ける。これが落体の法則である。[要出典], 一般相対性理論の立場からは、重力場は時空の歪みそのものである。より正確に表現すれば、「重力場が四次元時空多様体の曲率によってあらわされる」[10]ということになる。, 地球での重力加速度を 1 とした場合の、太陽系内の各天体表面での重力加速度の大きさは以下の通り。, 注 : 気体が大部分を占める木星型惑星については、大気の最上層部を「表面」とした。, 遠心力や加速を利用して人工重力が作られる。長時間無重力状態にいると骨の中のカルシウムが減るので惑星間飛行や長期間の宇宙空間への滞在時には使用が想定される。, https://ja.wikipedia.org/w/index.php?title=重力&oldid=80038834#人工重力, この項目では、質量に働く力全般について説明しています。質量間に働く引力については「.