【Python】速さと速度の違いと計算

■概要

「速さ」と「速度」は物理では別物として扱う。

「速さ」と「速度」の違いを説明し、それぞれの机上とPythonで計算を行う。

■速さ

速さは値の大きさを表すものであり、「距離÷時間」で求めることができる。
すなわち、単位時間あたり、どのくらいの距離を進んだかを速さとしている。
なお、大きさだけを考えるものをスカラーと呼ぶ。

速さの単位は、距離（km、mなど）と時間（時間：h、秒：sなど）の単位に依存する。
例えば、距離（m）あたりの時間（秒：s）の場合は、「m/s」と表す。

▼問1

50mの距離を10秒で走る時、以下の2問を求める。

・問1-1：速さ（m/s）を求める。

速さ（m/s）
＝ 50（m）÷ 10（秒：s）
＝ 5.0（m/s）

・問1-2：速さ（km/h）を求める。

まず、距離「m」を「km」、時間「s」を「h」に変換する必要がある。
1（m） ＝ 1/1000（km）
1（s） ＝ 1/3600（h）

速さ（km/h）
＝（50（m）÷ 1000）÷ （10（s）÷ 3600）
＝ 18（km/h）

■平均の速さ

前項の「■速さ」の問1では、一定の距離を同じ時間で移動したと仮定し、速さを算出したが、途中で速さが変わった場合の平均の速さは、それぞれの速さの平均ではなく、全体の距離とかかった時間で求める。

▼問2

80mの距離を最初の30mは30秒で歩き、残りの50mは10で走った場合の平均の速さ（m/s）を求める。

まず、全体の距離とかかった時間を算出し、それぞれで速さを求める。

速さ（m/s）
＝ （30（m）+ 50（m））÷（30（s）+ 10（s））
＝ 80（m） ÷ 40（s）
＝ 2.0（m/s）

■速度

「速さ」は大きさだけで表すのに対して、「速度」は大きさと向きで表す。
なお、速度のように、大きさと向きで表すものをベクトルと呼ぶ。

速度を表す場合、任意の方向AからBへ進む場合を「正」とした時、任意の方向BからAへ進む場合を「負」とする。

▼問3

西から東へ進む方向を「正」としたとき、西から東へ3.0（m/s）の速さで移動する場合と、東から西へ2.0（m/s）の速さで移動する場合の速度を求める。

西から東へ進む方向を「正」とした場合、
3.0（m/s）
-2.0（m/s）
と表すことができる。

■Pythonによる実装

問1から問3までの問題について、Pythonによる計算を示す。

▼サンプルコード

# 速さ(m/s)を算出する関数
def cal_speed_m_s(m, s):
    return m / s

# 距離(m)と時間(s)から、速さ(km/h)を算出する関数
def cal_speed_m_s_to_km_h(m, s):
    # mをkmに変換
    km = m / 1000
    # s(秒)をh(時間)に変換
    h = s / 3600

    return km / h

# 速さと正負から速度に変換する関数
def change_positive_nagative(m_s, flg):
    # flg：Trueの場合は正の速度
    if flg:
        return m_s
    # flg：Falseの場合は負の速度
    else:
        return -1 * m_s


# メイン処理
if __name__ == '__main__':
    # 問1：50mの距離を10秒で走る場合
    m = 50
    s = 10

    # 問1-1：速さ(m/s)
    print('問1-1：', cal_speed_m_s(m, s), 'm/s')

    # 問1-2：速さ(km/h)
    print('問1-2：', cal_speed_m_s_to_km_h(m, s), 'km/h')

    # 問2：80mの道のりを最初の30mは30秒で歩き
    # 残りの50mは10秒で走る場合の平均の速さ
    m = 30 + 50
    s = 30 + 10
    print('問2：', cal_speed_m_s(m, s), 'm/s')

    # 問3：西から東へ向かう場合を正とした場合
    # 西から東：True
    # 東から西：False

    # 問3-1：西から東へ3.0m/sの速度
    print('問3-1：', change_positive_nagative(3.0, True), 'm/s')

    # 問3-2：東から西へ2.0m/sの速度
    print('問3-2：', change_positive_nagative(2.0, False), 'm/s')

▼実行結果

問1-1： 5.0 m/s
問1-2： 18.0 km/h
問2： 2.0 m/s
問3-1： 3.0 m/s
問3-2： -2.0 m/s

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