雨粒は1000メートル上から落ちてくるのに、なぜ痛くないの？
― 落ちるものには、それ以上速くなれない速さがあります

「高いところから落ちたものほど速い」。これは半分だけ正しくて、半分は思いこみです。空気の中では、落ちるものには「これ以上は速くなれない速さ」があります。雨粒はそこにすぐ達してしまうので、雲の高さが2倍になっても、当たる強さは変わりません。

理由は、大きく2つです

この「これ以上は速くなれない速さ」を、終端速度といいます。順番に見ていきましょう。

空気がなければ、雨は時速500キロで降ってくる

もし地球に空気がなかったら、どうなるでしょうか。1000メートルの高さから落ちたものは、地面に着くまでずっと加速し続けます。計算すると、その速さは秒速140メートルほどになります。時速に直すと約500キロメートルです。

新幹線よりも速い水の弾丸が、頭の上から降ってくることになります。実際、空気のない月では、羽根とハンマーが同じ速さで落ちる様子が撮影されています。

ところが地球には空気があります。図1を見てください。点線が「空気がなかった場合」の速さで、時間とともにまっすぐ増えていきます。いっぽう実線が実際の雨粒で、最初だけ速くなり、あとは横ばいになります。

なぜ、途中で速くなるのをやめるのか

雨粒にはたらく力は2つだけです。下向きの重力と、上向きの空気の抵抗です。図2を見てください。

落ち始めた瞬間は、まだ止まっているので空気の抵抗はゼロです。重力だけが勝っているので、速くなります。ところが速くなるほど、押し返す力は急に強くなります。速さが2倍なら抵抗はおよそ4倍、3倍ならおよそ9倍です。

やがて、上向きの抵抗と下向きの重力がぴったり同じ大きさになります。差し引きゼロなので、もう速くも遅くもなりません。これがつり合いの状態で、このときの速さが終端速度です。

だから「大きさ」で痛さが決まる

ここが実用の分かれ目です。終端速度は、落ちてきた高さでは決まりません。落ちるものの大きさと重さで決まります。

霧のような細かい雨は、秒速1メートルにも届きません。ふつうの雨粒はおよそ秒速4メートル、大粒の夕立でも秒速9メートルほどとされています。歩く速さの数倍でしかありません。

ところが、ひょうは話が別です。直径2センチメートルのひょうの終端速度は秒速20メートル前後、直径5センチメートルなら秒速30メートルを超えるとされています。同じ空から落ちてくるのに、雨粒とは別ものの当たり方をします。

まとめ

「高いところから落ちたものほど速い」が成り立つのは、空気の抵抗が小さいあいだだけです。空気の中では、落ちるものはすぐに自分の終端速度に達します。そこから先は、いくら落ちても速くなりません。雨粒が痛くないのは、その終端速度がもともと小さいからです。

落ちる速さを決めているのは、高さではありません。
その粒の、大きさと重さです。

雲そのものが落ちてこない理由は「雲は水のかたまりなのに、なぜ落ちてこないの？」で説明しています。ひょうができるしくみは「真夏なのに、なぜ空から氷の粒（ひょう）が降ってくるの？」、落ちるときの体の使い方は「ネコはなぜ、高いところから落ちても平気なの？」もどうぞ。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。ひょうや強い雨のときは無理に外へ出ず、気象庁や自治体の発表・指示に従ってください。