【空想科学】クリスマスなのでサンタクロースを物理科学してみた。【ネタ】
2016/12/25
クリスマスですね。
クリスマスといえば皆さん、何を思い浮かべますか？
そう、サンタですね。
夜な夜な煙突から侵入しては子供の枕元にゴミおもちゃを置いていく赤いおっさんのことです。
日本には煙突がほぼ無く、あるのは銭湯くらいなので日本を担当しているサンタクロースはおそらく銭湯巡りしていると思われます。仕事していただきたいですね。
というわけで今回はサンタクロースを題材に、現役工学部生である僕が物理科学的に分析を行いたいと思います。
サンタクロースといえば…
さて、サンタクロースと言えば、こんな姿を想像しませんか？
サンタクロースが街の上をトナカイが引くソリに乗ってプレゼントを配り行く姿ですね。
なんともメルヘンで夢のある姿です。
こんなサンタクロースはきっと「ホホッー！メリークリスマス！」といって次の街へ行き、魔法の力でプレゼントを投げて配っていることでしょう。
分析してみましょう
ではこのサンタクロースがソリで空を飛んでいる姿を物理的に考えてみましょう。
まず、以下の条件を定義します。
- サンタクロースとそりの質量：M[kg]
- トナカイの質量：m[kg]
- 重力加速度：g[m/s²]
- 手綱に働く張力：T[N]
- ソリの進む速度：V[m/s]
- 空気抵抗：R[N]
これを基に図に書き込むと
となります。
なお空気抵抗を考慮しないとそもそもサンタが浮遊できないため仕方なく定義しています。
上図から、つり合いの式を立てると、
- 垂直成分：Mg+mg=R
- 水平成分：T=T
これでサンタが浮遊している条件わかりましたね。
物理的な状態を言えば、「力がつり合っていて一定速度V[m/s]の等速運動を行っている」ことになります。
しかし、皆さん、お気づきでしょうか？
こいつ、
そう、トナカイです。
実はこいつ、宙に浮いているためどんなに足をバタつかせても、
推進力がありません。
つまり前に進まないのです。
これは困った。
ですが、メルヘンな世界でのサンタクロースのソリはしっかり前進しています。
どういうことなんでしょうか？
この事象を解明するため、仮説を立ててみましょう。
仮説１：ソリ後方から強風が吹きつけている
ソリ後方から風が吹き付けていれば納得です。
画像ではサンタやトナカイは平然としていますが、その背中には痛みを感じるほどの風が吹き荒れています。
気分はそう、台風中継です。
しかし、もし強風で前進しているようであればソリは加速・減速してしまい、
定義のように等速運動はしません。
したがって、強風が吹き付けている説は薄いでしょう。
仮説２：万有引力で引き寄せられている
万有引力とは、
地上において質点（物体）が地球に引き寄せられるだけではなく、この宇宙においてはどこでも全ての質点（物体）は互いに 引力を及ぼしあっている
簡単に説明すると、「ある物体とある物体の間には互いに引き寄せ合う力が働く」ということです。
一見何の力も働いていないように見えてもそこに２つの物体があれば必ず引き寄せ合うのです。
メルヘンですね。まるで男と女のようです。
ちなみに重力もこの万有引力なんですよ。皆さんが今こうして地球に立っていられるのも、この力のおかげなんです。
さて、万有引力は以下のように定義されています。
m1とm2はそれぞれ物体の質量、rは物体間の距離を表します。
またGというのは万有引力定数と言われ、非常に小さい値のことです。
このように、万有引力の大きさは「物体の質量の積に比例し、物体間の距離の2乗に反比例」します。
ではサンタの乗るソリを万有引力によって引き寄せるためには、どのような物体を用意すれば良いのでしょうか？
人間を引き寄せるほどの万有引力は、地球の重力がそうであるように、非常に大きな物体が存在しないと不可能です。
よって以下の画像のように、ソリを前進させるには惑星級の物体が必要となります。
これはすごく納得できます。
なぜなら、多くの空飛ぶサンタクロースは月に向かって飛んでいっているのですから。
最初の例でも、
確かにサンタクロースは月に向かって飛んで行っています。
しかし、生憎、月は地球から人間を引き寄せるほどの十分な質量を持ち合わせてはいません。
仮に引き寄せられているとしたら上の例は月ではなく、おそらく太陽よりも大きい恒星だと考えらえます。
ですが、そうなってくるとまた厄介なことになってきます。
そう、地球から人間を引き寄せるほどの物体がそこにあるとすれば、
地球が滅びてしまいます。
したがって、この仮説もまた薄い説と考えられるでしょう。
仮説３：等速円運動をしている。
等速円運動とは、
円運動（えんうんどう）とは、物体の運動の向きとは垂直な方向に働く力によって引き起こされる運動である。特に中心力（常に円軌道の中心を向き、大きさが距離のみに依存する力）が働くことにより引き起こされる。
簡単に言うと、「遠心力によって一定速度でグルグル回る運動」です。
この円運動ならば等速運動も可能で、なおかつ地球も滅ぼさずに済みます。
今までの問題点をすべて克服できるのです。
そしてこの等速円運動、とてもよく分かりやすい例があります。
それは「ハンマー投げ」です。そしてハンマー投げと言えば…
室伏 広治選手です。
というわけで図でわかりやすいようにサンタクロースが聖夜の街をどのように前進しているのか見てみましょう。
なお今回は室伏選手にも手伝ってもらっています。
ご覧ください。
なんということでしょう。ソリが前進しているではありませんか。
これは文句のつけようのない素晴らしい仮説です。
サンタクロースが空を飛ぶ際、このように等速円運動をしているということで間違いないようです。
結論
サンタクロースはクリスマスに世界中の子供達にプレゼントを配ります。
それにはソリの使用は欠かせないことでしょう。
今回の検証によってソリは等速円運動をしていることがわかりました。
しかし、ソリを円運動させるような大きな装置は存在しません。
これはおそらく人間が行っていると考えるのが妥当でしょう。
またサンタクロースは毎年、プレゼントを配ります。
それには長きに渡ってソリを回す人も欠かせません。
ソリを回す…長きに渡って…
ハンマー投げを行っている…競技歴が長い…
そう、
室伏 広治選手です。
つまり12月24・25日クリスマスの夜は、子供たちのため、室伏選手が世界の中心で世界中のサンタクロースを操っているのです。
