ニュートンの運動の第 3 法則とは何ですか?

たぶんあなたは地球があなたを引っ張っていることをもう知っていることでしょう。しかし，もしかしたらあなたは，あなたも地球を引っ張っていることはご存じないかもしれません。たとえば，もし地球があなたを 500 N の重力で引っ張っているとすると，あなたも地球を 500 N の重力で引っ張っています。この驚きの事実はニュートンの運動の第 3 法則の帰着です。

ニュートンの運動の第 3 法則: もしある物体 A が物体 B に力を作用させている場合，物体 B は同じ大きさで反対方向の力を物体 A に作用させる必要があります。

この法則は自然界に存在するある対称性を表しています。力は常にペアで発生します。ある物体は力そのものの影響をまったく受けずに別の物体に力を作用させることはできません。私たちは時にこの法則を作用反作用の法則というふうに呼ぶこともあります。この言い方では，ある力が作用することの結果として反作用が生じます。

人々がどのように動いているのかを見ることでも，ニュートンの運動の第 3 法則が分かるでしょう。下の図に示すように，プールの壁を押しているスイマーについて考えてみましょう。

このスイマーはプールの壁を足で押しています。そして彼女は押している方向とは逆方向に加速します。壁は等しい大きさで逆方向に力を作用させます。もしかしたらあなたは逆方向で同じ大きさの力はキャンセルさせるのではないかと考えるかもしれません。しかし，それらの力はキャンセルされません。なぜならそれらの力は異なるシステムに対して作用するからです。この場合，私たちが考えることのできる 2 つのシステムがあります: スイマーと壁です。もし注意しているシステムとしてスイマーを選択したら，図にあるように $F_{\text{wall on feet}}(F_{\text{壁による足への}})$‍ がこのシステムの外力になり，そしてそれが運動に影響します。スイマーは $F_{\text{wall on feet}}(F_{\text{壁による足への}})$‍ の方向に移動します。これに対して，力 $F_{\text{feet on wall}}(F_{\text{足による壁への}})$‍ は壁に対して作用し，ここでの注目しているシステムには作用しません。したがって，$F_{\text{feet on wall}}(F_{\text{足による壁への}})$‍ は今注目しているシステムには影響せず，$F_{\text{wall on feet}}(F_{\text{壁による足への}})$‍ をキャンセルしません。スイマーは移動しようとしている方向とは逆の方向に押していることを注意して下さい。そのため，彼女を押すこの反作用は彼女の望みの方向に彼女を押します。

ニュートンの運動の第 3 法則の他の例は簡単に見つけることができます。 たとえばある教授がホワイトボードの前で床に対して後方に力を作用させると，床が教授に対して前方に反力を作用させ，教授は前に加速して進むことができます。

同じ理由で，車の加速を考えることができます。この時には車の駆動タイヤが地面を後方に押す反作用としてタイヤが前方に押されます。これはたとえばタイヤが砂利道にかかった時，タイヤがスピンして後方に石が飛ばされることが観察されることでもわかります。このことはタイヤが後方に地面を押していることの証拠の 1 つになります。

もう一つの例として，ロケットが高速のガスを後方に放出することで前進することがあります。ロケットはロケット燃焼室のガスにのせて大きな後方への力を放出します。その反作用としてロケットに大きな前方に向いた力がかかります。この反作用の力を推力と呼びます。良くある誤解としてロケットが地面を押すとか後方の空気を押すことで前進するというものがあります。しかし真空中には押すものがありません。実はロケットは真空中でよりよく働きます。なぜなら真空中の方が周りの空気に邪魔されないのでガスを排出することがより簡単だからです。

同様にヘリコプターは空気を押し下げることで上向きの反作用を得て，上昇する力を得ます。鳥たちや飛行機もまた移動しようとする方向とは逆方向に必要な力を空気に作用させることで飛びます。たとえば，鳥は下方後方に空気を押し，上昇前進の方向の力を得ます。

ある人がカート 1 を運転しています。その右にはカート 2 があり，カート 1 はカート 2 を押しています。カート 2 には巨大な冷蔵庫が載っています。カート 2 の総質量はカートと冷蔵庫の質量の合計で，カート 1 の総質量はカート 1 と運転手の質量の合計ですが，カート 2 の総質量はカート 1 の総質量の 3 倍あります。もしこの人のカートが 2 台のカートを右に加速させるだけの十分な力があるとしたら，これらのカートにかかっている力について確実に言えることは何でしょうか?

下の図にあるように，1 つの箱がテーブルの上に静止しています。図の下の表には，さまざまな力が並べられています。