～運動×理科シリーズ 第4弾～「力が逃げる」ってどういうこと？エネルギー保存の法則から運動を考えてみよう！
運動×理科シリーズ①逆上がりは理科だった！？～鉄棒で学ぶ「てこの原理」～
運動×理科シリーズ②足が速い子は物理を使っている！？～徒競走と「作用・反作用」の話～
運動×理科シリーズ③跳び箱は理科だった！？開脚跳びに隠された「エネルギーのリレー」
こんにちは！東京都港区南青山にあるBUDDYキッズ運動教室のカズ先生です。
「挫折しない！わたしの・ぼくの得意が見つかる運動教室」をコンセプトに、特に運動に苦手意識を感じているお子様をサポートする運動教室として、発育や運動に関するさまざまな悩みにも寄り添い、今日も元気に活動中です！
運動を教わっているときに、
「もっと地面の力をもらおう！」
「そこで力を逃がさないように！」
といった言葉を聞くことがありませんか？
BUDDYのレッスンでも、「せっかく作った力を次の動きにつなげよう」と伝えることがあります。
でも、ここで一つ疑問が生まれます。
「逃げた力って、いったいどこへ行くのでしょう？」
どこかへ消えてしまうのでしょうか？
実は、この疑問を考えるために役立つのが、理科で学ぶ「エネルギー保存の法則」です。
運動×理科シリーズ第4弾。今回はジャンプ、走る、ボール、マットなど、身近な運動を例にしながら、「力が逃げる」の正体を科学してみましょう！
そもそもエネルギーは「消えない」
まず覚えておきたい大原則があります。
それが、
エネルギー保存の法則
です。
簡単に言えば、
「エネルギーは突然なくなったり、新しく生まれたりするのではなく、別の形へ変わっていく」
という考え方です。
例えば、ボールを高いところから落としてみましょう。
手に持っているとき、ボールはまだ動いていません。
ところが手を離すと、どんどんスピードを上げながら落ちていきます。
高いところにあったことで持っていた位置エネルギーが、動くことで持つ運動エネルギーへ変わっているからです。
では、そのボールが床にぶつかったらどうなるでしょう？
跳ね返ります。
ところが不思議なことに、普通のボールなら最初に落とした高さまで完全には戻ってきません。
何度かバウンドさせれば、最後には止まってしまいます。
「エネルギーがなくなった！」
と思いたくなりますが、そうではありません。
ボールが永遠に跳ねないのはなぜ？
床に衝突した瞬間、ボールはわずかに変形します。
床も完全に硬いわけではありませんから、ごくわずかに変形したり振動したりします。
そして、
「ポン！」
という音もします。
さらに、変形や内部摩擦などによってエネルギーの一部は熱エネルギーなどへ変わります。
つまり、
運動エネルギー
↓
変形・振動・音・熱など
へエネルギーが分散しているのです。
エネルギーそのものが消滅したわけではありません。
ただし、
「もう一度ボールを高く跳ね返すために使えるエネルギー」が減ってしまう。
これが今回の記事で最も重要なポイントです。
運動でよく使う「力が逃げる」という表現も、厳密には力そのものがどこかへ逃亡しているわけではありません。
「目的とする動作に再利用できる力学的エネルギーが少なくなっている」と考えると、かなり本質に近づきます。
では、人間の運動ではどんな場面でこれが起こるのでしょうか？
【ケース① ジャンプ】「グニャッ」と潰れるとどうなる？
その場で何度も連続ジャンプしてみましょう。
着地した瞬間に、
「ポン、ポン、ポン！」
と短い時間で跳ね返る場合と、
「グニャッ……よいしょ！」
と深くしゃがんでから次のジャンプをする場合。
同じジャンプでも、かなり感覚が違うはずです。
人間の筋肉や腱には、バネのようにエネルギーを蓄えて再利用する働きがあります。
着地すると筋腱複合体が引き伸ばされ、そこに弾性エネルギーを蓄え、その直後に縮むことで次のジャンプへ利用できます。
この「伸ばされる→すぐ縮む」という一連の働きをSSC（Stretch-Shortening Cycle：伸張−短縮サイクル）と呼びます。
しかし、切り返しに時間がかかるほど、蓄えた弾性エネルギーをそのまま次の動作へ利用しにくくなります。
だからアンクルホップなどのトレーニングでは、
「着地したら、できるだけ短い時間で跳ね返る」
ことが重要になります。
ただし、「関節を一切曲げてはいけない」という意味ではありません。
必要な範囲で衝撃を受け止めながら、次の動作に必要な反発を効率よく作ることがポイントになります。
【ケース② 走る】脚は「バネ」のように働いている
走る動作もジャンプとよく似ています。
走っているときは、
着地する
↓
体重を受け止める
↓
地面を押す
↓
次の一歩へ飛び出す
という動きを繰り返しています。
このとき、人間の脚はよく「バネ」に例えられます。
接地によって筋肉や腱などがエネルギーを蓄え、それを次の蹴り出しで再利用しているからです。
特にアキレス腱のような長い腱は、走動作における弾性エネルギーの蓄積と再利用に重要な役割を持っています。
では、接地した瞬間に膝や足首が必要以上に大きく曲がり、体が毎回大きく沈み込んだらどうでしょう？
もちろん、走るためには適度な関節運動が必要なので、単純に「曲げないほど速い」という話ではありません。
一方で、脚全体が適切なスティフネス（変形しにくさ）を保つことは、弾性エネルギーを効率よく蓄え、返すために重要だと考えられています。
だから速く走るためには、
強い筋肉を作るだけではなく、「受けたエネルギーをどう次の一歩へ返すか」も大切なのです。
【ケース③ ボール】同じ高さから落として比べてみよう
この「エネルギーの返り方」は、実際に目で見ることもできます。
例えば、
よく弾むゴムボールと、
柔らかくてほとんど弾まないボールを、
同じ高さから落としてみましょう。
同じ高さから落としているので、スタート時の条件をそろえれば、床へ衝突する直前の力学的エネルギーもおおむね同じです。
ところが、
一方は高く跳ね、
もう一方はほとんど跳ねません。
違うのは、
衝突したときのエネルギーの返し方です。
よく弾むボールは、変形によって一時的に蓄えたエネルギーの比較的大きな部分を、再び運動エネルギーとして返します。
一方、弾みにくいボールでは、変形や内部摩擦などによって、より多くのエネルギーが熱などへ変換されます。
つまり、
「どれだけ力を加えたか」だけではなく、「どれだけ返ってくるか」も運動を考えるうえでは重要
なのです。
【ケース④ 硬い床とマット】同じジャンプでも違う？
今度は人間で試してみましょう。
体育館の床と、フカフカの厚いマット。
同じようにジャンプしようとしたら、どちらが跳びやすいでしょうか？
多くの場合、硬い床の方が跳びやすく感じます。
柔らかいマットでは、踏み込んだ瞬間にマットそのものが大きく変形します。
すると、人間がマットに与えた力学的エネルギーの一部がマットの変形に使われ、内部摩擦などを通して熱へ散逸します。
そのため、すべてが人間を押し返すためのエネルギーとして戻ってくるわけではありません。
砂浜を走ると疲れやすいのも似ています。
足元が変形するため、硬い地面を走る場合とはエネルギーのやり取りが変わります。
一方で、トランポリンのように、
「変形するけれど、蓄えたエネルギーを大きく返してくれるもの」
もあります。
同じ「柔らかい」でも、マットとトランポリンではまったく違うのです。
ここが物理の面白いところですね。
【まとめ】「力が逃げた」は、エネルギーが消えたわけではない
今回覚えてほしいことは、とてもシンプルです。
エネルギーは消えません。
これが「エネルギー保存の法則」です。
ただし、運動エネルギーが、熱や音、変形など、別の形のエネルギーへ変わることはあります。
その結果、次の動作に使える力学的エネルギーが少なくなることがあります。
これが、運動の世界でよく使われる
「力が逃げる」
という感覚の一つの正体です。
そして運動が上手な人は、
単純に「力が強い人」とは限りません。
走るときにはエネルギーを次の一歩へつなぎ、
ジャンプではバネのように蓄えて返し、
着地では安全に吸収する。
必要なところで蓄え、必要なところで返し、必要なところでは吸収する。
そう考えてみると、運動を見る目も少し変わってきませんか？
学校で習う「エネルギー保存の法則」は、教科書の中だけに存在する話ではありません。
走っているときも、ジャンプしているときも、ボールを弾ませているときも、私たちのすぐそばで働いているのです。
運動を知ると理科が面白くなり、理科を知ると運動がもっと面白くなる。
次に運動するときにはぜひ、
「このエネルギー、今どこへ行った？」
と考えてみてください！
この記事を読んで、BUDDYで運動したい！そう思ってくださったら、是非一度体験にお越しくださいね😊
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