わかりやすい解説はどれでしょう?
以下はある物理学の掲示板に書き込まれた面白いやりとりです。
普段は、高度な物理の問題が取り上げられているのですが、
そこに、全く物理の基礎も分かってない人が、質問をしました。
それに対し、物理に詳しい人たちが、面白がって色々な工夫を
して説明しています。説明の仕方は人によって様々であること
がよくわかります。

質問者

タイヤが1回転ころがった距離はタイヤの円周ですよね。
そのタイヤに付いているホイールはタイヤより小さい
(すなわち円周はタイヤより短い)のに、

ホイールが転がった距離がタイヤの転がった距離と同じなのは
どうしてなのでしょうか?


サルでもわかるような説明でお願いします。
私はサル以下かもしれませんので・・・。

街を走る車を見るたびに気になってしまいます。


回答者A
タイヤが無くホイールのみで地面を走ればおっしゃるようにホイールの円周分だけ1回転で進むことになります。
あくまでも接地しているのはタイヤですのでタイヤの円周のみの問題でホイルは関係ないんです。

質問者
ありがとうございます。
そうでなんです。
ホイールだけを転がした距離とタイヤにはめて転がした距離が違う事に納得がいかなかったのです。
同じ1回転なのに・・・

回答者B
ホイルがタイヤの厚み分、上空に浮いているからです。

質問者
ありがとうございます。
上空に浮いてると距離が長くなるのですか?
なぜなんでしょ・・・

回答者C
タイヤの接地面自身は転がっているだけです。
なので、タイヤが1回転したときに進む距離=タイヤの円周です。
ホイールの場合、タイヤが1回転する間にホイール自身も1回転しますが、それだけではありません。
想像しづらいかも知れませんが、水平移動もしているのです。
つまり、
タイヤが1回転したときに進む距離=ホイールの円周+ホイールの水平移動距離
という関係になるのです。

質問者
ありがとうございます。
うぅ〜ん 想像しづらいですねぇ。
タイヤの円周−ホイールの円周=ホイールの水平移動距離ってことですよね。
そこまではわかりました。

サル以下からサルになった気がします。
もう少しわかりやすくしてもらえると嬉しいのですが。


回答者D
見た目では理解できないかもしれませんが、ホイールは滑りながら走っていると考えるのが妥当です。

急発進のときにタイヤが空回りすると、本来進む距離よりも少ししか走れないのは理解できますか。
つまりタイヤがスリップすると期待される距離よりも少ない距離しか移動しません。
ホイールの場合この逆が起こっていて、地面(実際は空中)を滑って移動しているのです。
凍った地面の上で急ブレーキをかけた状態を想像して下さい。

以上。


質問者
ありがとうございます。

私も最初は滑っているのかなぁと思っていたのですが、どう見ても滑っているようには見えない
ので納得いかなかったのです。


もしかしてこれって物理ですかね?
義務教育で教わってますか?
教えるまでもない事なのでしょうかね・・・

回答者E
1回転する間に、タイアはタイアの円周分の距離、ホイルはホイルの円周分の距離しか、水平方向には
動いていません。

極端な例として回転の中心を考えると、水平方向には全く動きません。
従って、到達点が同じになるのは、回転する角度を360°にしようとするために、余分な水平移動が
加わるからです。



質問者
ありがとうございます。
まだわからないのですが、
回転の中心もタイヤの円周分水平移動してるとおもうのですが・・・


回答者F
簡単な説明。
ホイールより内側にさらに径の小さな「車輪軸」がありますよね?
車輪軸に糸をつけます。
タイヤをn回、回転させます。
糸が巻きつきます。
巻きついた糸の長さが、車輪軸の移動距離(車輪軸の円周×n)ですよね?
そして進んだ距離よりも圧倒的に短いはずです。

ホイールも同じことです。

質問者
ありがとうございます。
巻き付いた糸の長さは車輪軸の「移動」距離なのでしょうか?
円周10メートルのタイヤの車輪軸(直径1センチ)は1回転で10メートル移動していますよね。
そこが納得いかないのです。

私の考え方がおかしいのでしょうか。
でも、もう少しで納得いきそうなのですが・・・

回答者G
タイヤが転がって車が進む訳ですが、その車を運転している人は転がっていないのに同じように進みます。
何故でしょうか?


タイヤとホイルは同じように回っていますが、ホイルはタイヤを支えているだけで、回転はしているものの
車に乗っかっている

人や荷物と同じだと考えるべきだと思います。
ホイルやタイヤと分けて考えるので話がややこしくなると思うのですが、ホイルがない全部ゴムのタイヤの
場合をお考え下さい。

道路に接地している部分より中心部は単に重さを支えているだけ(動力を伝達しているだけ)ですよね。
何も不思議な応力がタイヤに加わる事は無いですよね。

ちょっと違った視点から回答してみました。

質問者
ありがとうございます。
わかってきたような気がします。
つまり、ホイールの大きさはどうであれ、
その回転する中心点の移動距離はタイヤの円周に
依存するってことでしょうか?

そうですよね。

回答者H
皆さん、大夫、苦しい解答を出していますな!もっと、
おもろい説が出ないものかと、期待したんですが。
確かに、タイヤが転がった距離移動すると考えると、ホイルは、軸は、??と成りますね。
実は、回転体は軸心を中心に回転運動しているだけなんです。タイヤが1回転、ホイルも軸も1回転、
矛盾無いでしょう。

タイヤ接地面が回転しただけ、地面を押し出しているですが、地球が大変重いので、反力が働いて移動
できるんですよ。

まだ、???と思いですか。ローラーの上でタイヤを回転させると、ローラーが回転するだけで、
移動しないでしょう。

ローラー面を路面に置き換えて見て下さい。


質問者
本当にみなさんありがとうございます。
中心点とその円周との関係ですよね。

こんな事、疑問に思っていたのは私だけだったら
恥ずかしいのですが・・・。

回答者I
こんばんは!
そうですねーーー。
ホイールが転がったと書いてますが、ホイールって地面と接してます????
タイヤ1回転につきホイールも1回転ですよね!
タイヤがない状態で走行するのと(実際は?ですが)
タイヤを履いて走行するのでは、同移動距離では回転数が当然違います。
おそらく、タイヤを履いての状態で、ホイールとタイヤと別々に考えているからわからなくなるの
ではないでしょうか。


質問者
ありがとうございます。
そう!そうだったんです。
やっと納得いきました。


回答者J
「滑っている」の実験方法...
大きさの違うギアを固定してギア山にインクをつけます。
紙の上を転がします。小さい方のギアにもインクをつけ
同時に紙に乗るような形で段差をつくり、転がします。

大きい方に合わせて転がすと小さい方が進む方向に滑って、
ギア山の点の大きさが大きくなります。

小さい方にあわせて転がすと、大きい方の点同士の幅が
狭くなります。

質問者
わかりやすくてありがとうございます。
私もこの方法がずっと頭の中にあったのですが、
ギヤで考えるとわかりやすかったのですね。
確かに小さいほうは滑ってますね。
これで滑りの謎も解けてスッキリしました。

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いかがでしたでしょうか。
 最後のほうは説明がややこしくなっているにも拘らず、質問者は納得している
ような書き方になっていますが、この辺で終了するしかないという気持ちも多少
は働いていたのかもしれません。
 おそらく、質問者は周囲の人にも同じ質問をして、上のような説明を受けたこ
とがあるのではないかと思います。
 小さな子供にこのような質問をされたらあなたはどう答えますか?
どのような説明をすれば、わかりやすく、なお且つ印象的なものになると思いますか?
文章だけで理解させるには工夫が必要です。

ご参考までに 私(辻)の回答例