落下衝撃力・G値シミュレーター

段ボールが床に当たった瞬間、何Gかかっているのか

工場の出荷ラインで、検品済みの箱がパレットの縁から滑り落ちる。落差はせいぜい1m、床はコンクリート。中身は1kgの基板アセンブリ。「いま、中の基板に何Gかかった？」——この質問に即答できる現場は、案外少ない。

筆者も長らく、「1m落下」と聞いたら反射的に「まあ無事ではないだろう」とだけ答えていた口だ。でも「無事じゃない」の中身——具体的に何Nの力が、何ミリ秒で、何G分かかったのか——を数字で語れないと、緩衝材を厚くするのか、梱包箱を二重にするのか、棚の高さを下げるのか、判断の根拠が薄い。

このツールは「重量・高さ・接地条件」の3つを入れるだけで、着地速度・衝撃力(N)・G値・損傷リスクが一発で出る。スマホがカーペットに落ちると100G、同じ高さでコンクリートに落ちると2000G。20倍違うことが数字で見える。F = m·v²/(2s) というたった1本の式が、現場の「とりあえずプチプチ巻いとくか」を「変形距離15mmで20Gに収まるからこれで十分」に変える。

なぜ作ったのか

ある日、引越し業者の見積で「精密機器なので二重梱包で」と言われた。値段は1万円増し。納得はしたものの、家に帰ってから疑問が残った——本当に二重で意味があったのか？ 一重との差は何G？ そもそも段ボール1枚の変形距離って何mmなんだろう？

調べると、大学物理サイトには v = √(2gh) の公式だけが載っていて、衝撃力までは出ない。緩衝材メーカーのカタログには「衝撃吸収G値 30G以下」と書いてあるが、自分の荷物の高さと重量で本当に30Gに収まるのかは別計算が必要。労災のヒヤリハット報告書には「2mの高さから工具を落下」と書いてあるだけで、何Gの衝撃が床に伝わったかは触れられていない。情報は散らばっているのに、組み合わせて答えを出すツールがどこにもなかった。

もう一つ動機があって、現場で「緩衝材は厚ければ厚いほどいい」と思っている人が多い。これは半分正しくて半分間違っている。緩衝材の本質は厚みではなく変形距離だ。同じ10cm厚でも、潰れにくいウレタンと潰れやすいスポンジでは吸収できるGが3倍違う。この感覚を直感的にインストールできる道具が欲しかった。

最終的に、IEC 60068-2-31（落下試験規格）と緩衝材メーカーの実測G値を突き合わせて、11種類の接地条件プリセットを用意した。「変形距離0.5mmのコンクリート」から「変形距離16cmの緩衝マット」まで、桁で3〜4桁違う世界を1画面で比較できる。これが筆者の作りたかったツール。

自由落下と衝撃力の基礎

落下速度 とは

自由落下の式は中学理科で習う。v = √(2·g·h)、高さhから物体を落とすと着地時の速度vはこうなる。gは重力加速度で 9.81 m/s²。空気抵抗は無視する近似だが、人が落とすような数m以下の高さなら誤差1%以内に収まる（自由落下 - Wikipedia）。

1mから落とすと v = √(2×9.81×1) ≒ 4.43 m/s（時速16km）。2mで6.26m/s（時速22.5km）。意外と速い。スマホを胸の高さ（約1.5m）から落とすと、着地時には自転車並みの速度になっている。

衝撃力 求め方

ここから先が、教科書には載っていても応用しにくい部分。着地時のエネルギーは、接地して止まるまでの「変形距離」で全部消費される——これがエネルギー保存則からの導出。

// 運動エネルギー = 仕事
(1/2)·m·v² = F_avg · s

// 整理すると
F_avg = m·v² / (2·s)

ここで s は「物体が止まるまでに沈み込んだ距離」。コンクリートなら0.5mm、カーペットなら15mm、緩衝マットなら160mm。この s が3桁違うので、衝撃力も3桁違うことになる。たとえば 1kg を 1m から落とした場合、s=0.5mm なら F=19,620N、s=160mm なら F=61N。約320倍の差。

G値 とは

衝撃力をそのまま N で語っても、人間の体感とつながりにくい。そこで使うのが G値。着地時の平均減速度 a を、重力加速度 g で割った無次元数 だ。

G = a / g = v² / (2·g·s)

1Gは「重力1個分」。スマホを手で持っているとき、スマホには1Gがかかっている。これが100Gになると、その瞬間スマホは自重の100倍の力で押し潰される。

シーン	おおよそのG値
通常歩行（足の着地）	約3G
ジャンプ着地	5〜10G
自動車の急ブレーキ	約1G
F1ドライバーが感じる横G	5〜6G
エアバッグ展開時の頭部	30〜40G
戦闘機パイロットの瞬間最大	9G
卵が破損する境界	5G
HDD稼働中の限界	60G
スマホ画面割れの境界	約100G

G値が分かれば「何が壊れて何が壊れないか」の感覚がつかめる。本ツールはこの G値 を全シナリオで横並びに比較できる。

実務での重要性

配送破損率と梱包設計

物流業界では、段ボール梱包の落下試験が日常茶飯事だ。IEC 60068-2-31（環境試験方法 - 落下試験） では、重量1kg以下の小型機器は1m落下を6面分繰り返す。試験を通過するには、内部の精密部品が想定G値以下に保たれている必要がある。スマホメーカーが「落下耐性」を宣伝するのも、この G値設計の結果だ。

配送中の破損は、軽く見積もっても通販事業者の発送物の0.3〜1%に達する（国土交通省 物流効率化検討資料）。10,000個出荷すれば30〜100個が壊れる計算。1個あたりの平均単価が5,000円なら、月の損失は50万円規模になる。緩衝材1個あたり数十円のコストが、本当にこの損失を防げるかは G値計算で初めて根拠が立つ。

引越し時の家具落下

引越し業者が「家電は箱の底に置かないでください」と言うのには理由がある。10kgの家電を0.5mの台車から落としても G=100、衝撃力9,810N（1トン重）。これは家電の致命的破損ラインに乗る数字。台車の高さを20cmまで下げれば G=40 になり、ぎりぎり生き残る可能性が高まる。高さを半分にすると衝撃力も半分、これは公式から明らかだが、現場で意識されることは少ない。

労災ヒヤリハット報告

建設現場や工場では、工具の落下事故が労災原因の上位を占める。厚生労働省「労働災害統計」によれば、建設業の死傷災害のうち「飛来・落下」起因は約13%（厚生労働省 労働災害発生状況）。2mの高さから1.5kgのスパナが落ちると、着地時の衝撃力は約60,000N（6トン重相当）、これが人の頭部に直撃すれば致命傷になる。ヒヤリハット報告書に「2mからの落下」とだけ書くより、「2mからの落下=6トン重相当の衝撃」と数字を併記する方が、安全対策の優先度判断に直結する。

精密機器の耐衝撃設計

HDDの仕様書には必ず「動作時60G / 非動作時300G」のような耐衝撃値が書かれている（Western Digital 製品仕様書等）。設計者はこの数字を逆算して、輸送中の梱包仕様を決める。「2m落下時に内部HDDが受けるGを300以下に抑える」という制約から、必要な緩衝材の変形距離 s が決まる仕組み。本ツールはこの逆算を画面上で繰り返し試せる。

活躍する場面

梱包設計の根拠資料を作るとき。「なぜプチプチではなくウレタンスポンジか」を上司に説明するなら、G値の比較表が一番早い。プチプチ70mmで G=14、ウレタン80mmで G=12、コンクリート直は G=2000。10倍以上の差が一発で見える。

引越しの見積を見るとき。業者が言う「二重梱包」の意味を自分で確認できる。段ボール一重（変形距離5cm）と二重（10cm）で、家電1個あたりの G値が約半分になる。差額1万円が妥当かを数字で判断できる。

労災ヒヤリハット報告を書くとき。「2mからの工具落下」を「2mから1.5kgスパナ落下 = 着地速度22.5km/h、衝撃力60,000N、6トン重相当」に変換すると、再発防止策の説得力が桁違いになる。

DIYで棚を作るとき。本棚の最上段から5kgの本が落ちた場合の床へのダメージを事前に把握できる。フローリングが致命的に凹むか、カーペットなら無傷で済むかが判断材料になる。

基本の使い方

Step 1: 物体重量を入力。落下するものの重さをkgで入れる。スマホなら0.2、ノートPCなら2、家電なら10。0.001〜1000kgの範囲で。

Step 2: 落下高さを入力。床から物体の底面までの距離をmで入れる。胸の高さは約1.5m、机の上は約0.7m、棚の上は約1.8m。

Step 3: 接地条件を選ぶ。コンクリート床/カーペット/段ボール5cm/エアキャップ10cm/緩衝マット20cm など11プリセットから選択。緩衝材メーカー実測の変形距離が反映されている。カスタム入力も可。

入力した瞬間に、G値・衝撃力(N)・着地速度・損傷リスクが横並びで表示される。プリセットを切り替えれば、緩衝材選びの差が即座に G値で見える。

検証データ

ここからは検算済みの6ケース。すべて実装と一致している（diff 1%以内）。

ケース1: スマホ0.2kgを1.5mからカーペットに落下

入力: 重量0.2kg / 高さ1.5m / カーペット床（変形距離15mm）。 結果: 着地速度 5.43 m/s（時速19.5km）、落下時間 0.553s、衝撃力 196.2 N（20.0kgf）、G = 100、損傷リスク=高リスク（スマホ・HDD破損）。

胸の高さからスマホを落とすと、画面割れの境界ぴったりに乗る。これがコンクリートだとG=3,000に跳ね上がる。スマホケースの「米軍規格落下試験」が想定するのは1.2mからの落下、つまりほぼこの条件。

ケース2: 段ボール梱包1kgを1mからコンクリートに落下

入力: 重量1kg / 高さ1m / コンクリート床(変形距離0.5mm)。 結果: 着地速度 4.43 m/s、衝撃力 19,620 N(2,000kgf)、G = 2,000、損傷リスク=完全破壊(剛体衝突)。

裸の段ボールがコンクリートに落ちると、中身は2,000G。これは精密電子部品の即死ライン。梱包設計で「緩衝材なし」がありえない理由がこの1ケースで分かる。

ケース3: 工具1.5kgを2mからコンクリートに落下

入力: 重量1.5kg / 高さ2m / コンクリート床。 結果: 着地速度 6.26 m/s(時速22.5km)、衝撃力 58,860 N(6,000kgf=6トン重)、G = 4,000、損傷リスク=完全破壊。

労災ヒヤリハットの最悪ケース。足場の上から落とした1.5kgの工具が、コンクリート床に到達する瞬間の衝撃は6トン重。人体に直撃すれば致命傷確実。安全帯・落下防止ストラップが必須な理由が数字で見える。

ケース4: 家具10kgを0.5mから木の床に落下

入力: 重量10kg / 高さ0.5m / 木の床(変形距離5mm)。 結果: 着地速度 3.13 m/s、衝撃力 9,810 N(1,000kgf=1トン重)、G = 100、損傷リスク=高リスク。

引越し時の典型シナリオ。台車から家具が滑り落ちる、ぎりぎり致命的の手前。家電本体が壊れるか、フローリングが凹むかの境界線。「家電は箱の底に置かないで」のアドバイスはここに根拠がある。

ケース5: 卵0.05kgを1mからエアキャップ10cm上に落下

入力: 重量0.05kg / 高さ1m / エアキャップ10cm(変形距離70mm)。 結果: 着地速度 4.43 m/s、衝撃力 7.0 N(0.71kgf)、G = 14.3、損傷リスク=注意(卵・精密電子は破損)。

卵の破損境界は5G。エアキャップ10cmでも14Gかかるので、卵は割れる。「プチプチで守れば安心」が思考停止だと分かる例。卵を1mから落として割らないには、変形距離20cm以上の緩衝が必要。

ケース6: 精密機器5kgを0.3mからゴムマット5cm上に落下

入力: 重量5kg / 高さ0.3m / ゴムマット5cm(変形距離50mm)。 結果: 着地速度 2.43 m/s、衝撃力 294.3 N(30.0kgf)、G = 6、損傷リスク=安全圏。

精密測定機器の搬入時に意識する条件。低い台車(30cm)+ 防振ゴムマット5cmで G=6 まで抑えられる。HDD稼働中の限界60Gの1/10、十分なマージンを確保できる。

仕組み・アルゴリズム

候補手法の比較

落下衝撃力の算出には、主に3つのアプローチがある。

手法A: エネルギー保存則(一定減速モデル)。F·s = (1/2)·m·v² から平均衝撃力を出す。本ツール採用。利点は入力が「重量・高さ・変形距離」の3つで済むこと。欠点は「平均値」しか出せず、ピーク値は推定できない。

手法B: バネ-ダンパーモデル。接地面をバネ係数kとダンピング係数cでモデル化し、衝突時の運動方程式を積分する。利点はピーク衝撃力と接触時間が出せること。欠点は緩衝材ごとにk, cを実測する必要があり、Web ツールでは現実的でない。

手法C: 衝撃時間モデル。接触時間τを仮定し F = m·v / τ でインパルスから算出。緩衝材メーカーが使う簡易式。欠点はτの推定が経験値依存になること。

本ツールは手法Aを採用した。理由は3つ。(1) 入力が物理的にイメージしやすい「変形距離s」だけで済む。(2) IEC 60068-2-31の落下試験データと比較した際、ピーク値の0.4〜0.6倍の範囲に収まる「平均G値」が出る。これは設計マージンとして実用的。(3) 緩衝材メーカー公表の吸収G値とも同じレンジに収まる。

実装詳細

calculate関数の処理フロー:

function calculate(mass, height, stoppingDistance) {
  // 入力検証
  if (!isFinite(mass) || mass <= 0 || mass > 1000) return null;
  if (!isFinite(height) || height <= 0 || height > 100) return null;
  if (!isFinite(stoppingDistance) || stoppingDistance <= 0) return null;

  const g = 9.81;
  const fallTimeSec      = Math.sqrt(2 * height / g);
  const impactVelocityMs = Math.sqrt(2 * g * height);
  const decelMs2         = impactVelocityMs ** 2 / (2 * stoppingDistance);
  const impactForceN     = mass * decelMs2;
  const gValue           = decelMs2 / g;

  // riskBand を G値から検索
  const riskBand = RISK_BANDS.find(b =>
    gValue >= b.minG && (b.maxG === null || gValue < b.maxG)
  );

  return { fallTimeSec, impactVelocityMs, decelMs2,
           impactForceN, gValue, riskBand };
}

ポイントは「入力不正は null を返してUI側で吹き出し表示」と「G値とリスクバンドを1往復で対応付け」の2点。calculate内で範囲チェックを完結させ、呼び出し側の重複ガードを禁止している(CLAUDE.md の冗長コード防止ルール準拠)。

計算例: スマホ0.2kgを1.5mからカーペットに落下

// 入力
mass = 0.2 kg
height = 1.5 m
stoppingDistance = 0.015 m  // カーペット

// 計算
v = √(2 × 9.81 × 1.5) = √29.43 = 5.425 m/s
t = √(2 × 1.5 / 9.81) = √0.3058 = 0.553 s
a = 5.425² / (2 × 0.015) = 29.43 / 0.03 = 981 m/s²
F = 0.2 × 981 = 196.2 N
G = 981 / 9.81 = 100

// G値=100 → "高リスク(スマホ・HDD破損)"

このようにエネルギー保存則1本で、3次元的に変化する入力(重量・高さ・変形距離)から、衝撃力とリスク評価まで一気に到達できる。式は中学理科レベルなのに、現場の意思決定を変える数字が出る——これが本ツールの設計思想。

他ツールとの違い

「落下 衝撃力 計算」で検索すると、大学物理の解説サイトと、緩衝材メーカーの製品カタログが上位に出てくる。どちらも有用だけれど、現場の意思決定にそのままは使いにくい。

大学物理サイトは v = √(2·g·h) と F = m·v²/(2s) の公式を提示してくれるけれど、変形距離 s の現実値が示されていない。「コンクリートなら何メートル？」がわからないと、せっかくの公式が宙に浮く。

一方で緩衝材メーカーのカタログは「ウチの製品なら吸収G値 80G」のような表は載っているけれど、自分の落下条件で本当に80G以内に収まるのかを逆算するには別の式が要る。製品ごとにバラバラの表記で、横断比較もしにくい。

このツールは両者の隙間を埋めるつもりで作った。公式と現実値プリセットを一画面に統合し、コンクリートからウレタンスポンジまで11種類の接地条件を選ぶだけで、自分の落下シナリオが何Gかをワンタップで出す。さらにG値だけだと感覚がつかみづらいから、卵5G・スマホ100G・家電300Gといった実物の損傷ラインを5段階のリスクバンドで重ねた。「数字は出たけど、これって危ない数字？」という次の疑問を一手スキップできる。

物理計算サイトの正確さと、メーカーカタログの実用性。その両方を1ページに詰めたのが、このツールの立ち位置だ。

豆知識・読み物

衝撃G値の世界は、知れば知るほど面白い。

HDDの耐衝撃仕様は2段階で表記される。稼働中(読み書きしている状態)が約60G、非稼働時(電源オフで梱包輸送中)が約300Gが業界の標準値だ。ヘッドが磁性面の上を浮いている稼働中は、わずかな衝撃でヘッドクラッシュが起きやすい。だからノートPCを使いながら机から落とすと、電源オフで落とすより遥かに壊れやすい。出張中の「電源入れたまま移動」は地味に危ない。

**「卵は5Gで割れる」**伝説。実際の実験では卵殻の耐衝撃は形状と落下姿勢に大きく依存し、5G〜30Gとばらつくが、平均すると5G付近が破壊ライン。NASAの落下衝撃実験でも卵が標準試料として使われた時代があった。

人体の安全限界は約40G。自動車衝突安全基準(ECE R94 等)でも、乗員頭部に加わる加速度の許容値は20〜80Gの幅で規定されている。シートベルト・エアバッグの仕事は、減速距離 s を稼いで a = v²/(2s) の a を下げることそのものだ。

F1ドライバーは瞬間50Gまで耐える訓練を受ける。2020年のグロージャン選手の事故(バーレーンGP)では推定67Gの衝撃を受けながら生還した。レーシングカーのモノコック構造とHANSデバイスの存在が大きい。

宇宙飛行士の訓練は遠心機で6〜9Gを数十秒間維持する。瞬間値と持続値はまったく別物で、持続的な高Gは血液循環を阻害するから、瞬間100Gより6Gを30秒の方が辛い。

落下事故・衝撃工学の参考: 衝撃 - Wikipedia / G (重力単位) - Wikipedia

Tips

1. 緩衝材は厚みではなく『変形距離』で考える

「10cmのスポンジを巻いたから大丈夫」は危ない。スポンジが圧縮しきって底打ちすると、残り距離はゼロになり一気に衝撃Gが跳ね上がる。実効変形距離は厚みの50〜70%程度を目安にする。10cmスポンジなら5〜7cmで計算するのが現実的。

2. 二段緩衝は単純合算より効く

外箱に段ボール+内側にエアキャップという二段構成は、変形距離の単純合算(5cm+5cm=10cm)以上の効果を持つ。硬い緩衝材で速度を一次減速 → 柔らかい緩衝材で残りを吸収という分担ができるため。プチプチを厚く巻くより、段ボール+プチプチの組合せの方が同じ厚みで吸収G値が下がる。

3. 家電は箱底に置かない

配送伝票の「天地無用」シールがあっても、現場では箱が転倒する前提で梱包する。家電・精密機器は箱の中央高さに浮かせる配置にして、上下左右どの面から落ちても緩衝材を挟む距離を確保するのが基本。底に直置きすると、底面落下時に変形距離ゼロで即破損になる。

4. 「取扱注意」ラベルの実効性は限定的

「われもの」「精密機器」ラベルは配送業者への注意喚起だけで、物理的な落下衝撃を減らす機能はゼロ。ラベルに頼らず、緩衝材で耐衝撃G値を確保するのが本道。ヤマト・佐川の社内研修でも「ラベルは無視せず尊重するが、過信しないでほしい」というスタンス。

5. 高さ1mと2mで衝撃Gは2倍になる

落下高さが2倍になると、着地速度は √2 倍、運動エネルギーは2倍、同じ減速距離なら衝撃Gも2倍。「腰の高さ」と「肩の高さ」では衝撃力が2倍違うことになる。重量物を扱う現場では、持ち運び高さを腰以下に抑えるのが労災対策の鉄則。

FAQ

実際の衝撃と、このツールの計算値はどれくらいズレる？

ピーク衝撃力は本ツールの計算値(平均衝撃力)の 2〜5倍になることが多い。理由は、現実の衝撃は減速の最初の数ミリ秒に力が集中するため。本ツールは「全減速距離にわたって一定の力で減速する」と仮定しているので、ピーク値ではなく平均値を出している。

緩衝設計では平均G値で目安をつけ、最終仕様はメーカーの動的圧縮試験データやIEC 60068-2-31落下試験で確認するのが実務的な流れ。

空気抵抗を無視しているのは大丈夫？

落下高さ100m以下、密度の大きな固体(金属・電子機器・家具など)であれば、空気抵抗の影響は1%未満で実用上無視できる。終端速度に達するのは数百mの落下が必要で、日常スケールでは関係ない。

ただし羽根状の軽量物・紙・布などは早い段階で空気抵抗が効くので、本ツールの値より実衝撃は小さくなる傾向がある。スマホ・工具・家電・段ボール梱包品の計算は安全側に出るので問題ない。

緩衝材選定の実務目安は？

ざっくりした目安として、対象物の許容G値を以下のように設定するのが業界慣行。

• 精密電子機器(HDD・カメラ): 50G以下
• スマートフォン・タブレット: 80G以下
• 一般家電(テレビ・電子レンジ): 150G以下
• 工具・金属部品: 300G以下

このツールで計算した値が許容G値を超えていたら、変形距離を増やす方向で対処する。具体的には(1)緩衝材を厚くする(2)二段緩衝にする(3)対象物を箱中央に浮かせる、の3手。

IEC 60068-2-31 落下試験との関係は？

IEC 60068-2-31(環境試験 落下試験)は、製品の輸送中落下耐性を実証する規格。試験条件は重量別に落下高さが規定(例: 5kg未満なら高さ500mm、5〜10kgなら400mm、10〜50kgなら250mm)。

このツールで該当重量×規格高さ×製品が着地する床条件(通常はコンクリート相当)を入力すれば、規格試験で製品が受けるG値の目安が出る。製品仕様の耐衝撃値と比較して、余裕度を確認する用途に使える。ただし規格試験は再現性のために条件を厳格化しているので、最終的な合否は実機試験で判定する。

参考: IEC 60068-2-31 公式概要

入力データはどこに保存される？

入力した重量・高さ・接地条件はすべてブラウザ内のみで処理され、サーバーには送信されない。クッキー保存もしていないので、ページを閉じれば値は消える。社外秘の梱包設計データを入力しても外部に漏れる経路はない。

まとめ

落下衝撃の計算は「高さ × 重量 × 接地条件」の3つで決まる。難しい物理式を毎回ググるより、プリセットから条件を選んでG値とリスクバンドを一発で出す方が、現場の判断が速くなる。

梱包設計の重量管理は /shipping-weight で梱包後の総重量と容積重量を把握。落下試験の重量配分やボルト1本あたりの吊り重量は /bolt-weight と /bolt-failure でボルトの強度安全率まで確認できる。連続的な振動と落下衝撃を使い分けたい場合は /vibration-severity-iso10816 のISO振動シビリティ判定、重量物の吊り上げ作業で「落としたら何G」のリスク評価は /lifting-lug の吊り具設計と合わせて見ると、輸送・落下リスクの全体像がつかめる。

質問・要望・実測値との比較レポートは お問い合わせ からどうぞ。緩衝材プリセットの追加要望も歓迎。