力のモーメント 前回の話から, 中心から離れているほど物体を回転させるのに効率が良いという事が分かる. しかし「効率が良い」とはあいまいな表現だ. 何かしっかりとした定義が欲しい. この「物体を回転させようとする力」の影響力をうまく表すためには回転の中心からの距離 とその点にかかる回転させようとする力 を掛け合わせた量 を作れば良さそうだ. これは前の話から察しがつく. この は「 力のモーメント 」と呼ばれている. 正式にはベクトルを使った少し面倒な定義があるのだが, しばらくは本質だけを説明したいのでベクトルを使わないで進むことにする. しかし力の方向についてはここで少し注意を入れておかないといけない. 先ほどから私は「回転させようとする力」という表現をわざわざ使っている. これには意味がある. 力がおかしな方向に向けられていると, それは回転の役に立たず無駄になる. それを計算に入れるべきではない. 次の図を見てもらいたい. 青い矢印で描いた力は棒の先についた物体を回転させるだろうが無駄も多い. この力を 2 方向に分解してやると赤と緑の矢印になる. 赤い矢印の力は物体を回転させるが, 緑の矢印は全く回転の役に立っていない. つまり, 上の定義式での としては, この赤い矢印の大きさだけを代入すべきなのだ. 「回転させようとする力」と言ってきたのはこういう意味だったのである. 力のモーメント をこのように定義すると, 物体の回転への影響を表しやすくなる. 例えば中心からの距離が違う幾つかの点にそれぞれ値の違う力がかかっていたとして, それらが互いに打ち消す方向に働いていたとしよう. ベクトルを使って定義していないのでどちら向きの回転をプラスとすべきかははっきり決められないのだが, まぁ, 適当にどちらかをプラス, どちらかをマイナスと自分で決めて を計算してほしい. それが全体として 0 になるようなことがあれば, 物体は回転を始めないということになる. また合計の の数値が大きいほど, 勢いよく物体を回転させられるということも分かる. 【物理基礎】力のつり合いの計算を理解して問題を解こう！ | HIMOKURI. は, 物体の各点に働くそれぞれの力が, 物体の回転の駆動に貢献する度合いを表した数値として使えることになる. モーメントとは何か この「力のモーメント」という言葉の由来がどうも謎だ. モーメントとは一体どんな意味なのだろうか.
今回は、『 摩擦力(まさつりょく) 』について学びましょう。 物体と接する面との間に働く『 接触力 (せっしょくりょく)』の1つですね。 『 摩擦力 』と言えば、荷物を押して動かしたいのに床との摩擦で動かない、とか、すべり台との摩擦でスムーズにすべらない、なんてことが思い浮かびませんか? 摩擦力は物体の動きを妨げる やっかいな力というイメージがあるかもしれませんね。 でも、もし摩擦力が無かったら? 回転に関する物理量 - EMANの力学. 人間は 歩くことができず、鉛筆で文字を書くこともできず、自転車や 自動車のタイヤは空回りして進まず、ブレーキだって使えなくなりますよ。 摩擦力は、やっかいものどころか、私たちの生活に欠かせない力なのですね。 当然、物理現象を考えるときにも必要不可欠な力です! 物理学では、『 摩擦力 』を3種類に分けて考えますよ。 物体を押しても静止しているときの摩擦力が『 静止摩擦力(せいしまさつりょく) 』 物体が動き出すときの摩擦力が『 最大摩擦力(さいだいまさつりょく) 』 物体が動いているときの摩擦力が『 動摩擦力(どうまさつりょく) 』 それから、摩擦力は力なので単位は [N] (ニュートン)ですね。 それでは、『 摩擦力 』について見ていきましょう! 摩擦力の基本 摩擦力の向き 水平な床の上に置かれた物体を押すことを考えてみましょうか。 はじめは弱い力で押しても、摩擦力が働くので動きませんね。 例えば、荷物を右向きに押すと、摩擦力は荷物が動かないように左向きに働くからです。 つまり、 摩擦力は物体が動く向きと反対向きに働く のですね。 図1 物体を押す力の向きと摩擦力の向き さあ、押す力をどんどん強くしていきましょう。 すると、どこかで物体がズルッと動き出しますね。 一度物体が動くと、動く直前に押していた力よりも小さい力で物体を動かせるようになりますね。 でも、動いているときにもずっと摩擦力が働いているんですよ。 図2 物体を押す様子と摩擦力 ところで、経験的に分かると思いますが、摩擦力の大きさは荷物の質量や床面のざらざら具合によって変わりますよね。 例えば、机の上に置かれた空のマグカップを押して横に移動させるのは楽にできます。 そのマグカップになみなみとお茶を注いだら? 重くなったマグカップを押して横に移動させるには、さっきよりも強い力が要りますね。 摩擦力が大きくなったようですよ。 通路にある重い荷物を力いっぱい押してもなかなか動きません。 でも、表面がつるつるしたシートの上にのせると、小さい力で押してもスーッと動きます。 摩擦力が小さくなったようですね。 摩擦力の大きさは、どういう条件で決まるのでしょうか?
なので、求める摩擦力の大きさは、 μN = μmg となるわけです。 では、次の例題を解いてみましょう! 仕上げに、理解度チェックテストにチャレンジです! 摩擦力理解度チェックテスト 【問1】 水平面の上に質量2. 0 kgの物体を置いた。 物体に水平に右向きの力 F を加える。 物体をすべらせるために必要な力 F の大きさは何Nより大きければよいか。 静止摩擦係数は0. 50、重力加速度 g は9. 8 m/s 2 とする。 解答・解説を見る 【解答】 9. 8 Nより大きい力 【解説】 物体がすべり出すためには、最大摩擦力 f 0 より大きい力を加えればよい。 なので、最大摩擦力 f 0 を求める。 物体に働く垂直抗力を N とすると、物体に働く力は下図のようになる。 垂直方向の力のつり合いから、 N =2. 0×9. 8である。 水平方向の力のつり合いから、 F = f 0 = μ N =0. 50×2. 8=9. 8 よって、力 F が9. 8 Nより大きければ物体はすべり出す。 まとめ 今回は、摩擦力についてお話しました。 静止摩擦力は、 力を加えても静止している物体に働く摩擦力 力のつり合いから静止摩擦力の大きさが求められる 最大(静止)摩擦力 f 0 は、 物体が動き出す直前の摩擦力で静止摩擦力の最大値 f 0 = μ N ( μ :静止摩擦係数、 N :垂直抗力) 動摩擦力 f ′ は、 運動している物体に働く摩擦力 f ′ = μ ′ N ( μ ′:動摩擦係数、 N :垂直抗力) 最大摩擦力 f 0 と動摩擦力 f ′ の関係は、 f 0 > f ′ な ので μ > μ ′ 「静止摩擦力を求めよ」と問題文に書いてあっても、最大摩擦力 μ N の計算だ!と思い込んではいけませんよ! 静止摩擦力は「静止している」物体に働く摩擦力で、最大摩擦力は「動き出す直前」の物体に働く摩擦力です。 違いをしっかり理解しましょうね。
では,解説。 まずは,重力を書き込みます。 次に,接触しているところから受ける力を見つけていきましょう。 図の中に間違えやすいポイントと書きましたが,それはズバリ,「摩擦力の存在」です。 問題文には摩擦力があるとは書いていませんが,実は 「AとBが一緒に動いた」という文から, AとBの間に摩擦力があることが分かります。 なぜかというと,もし摩擦がなければ,Aだけがだるま落としのように引き抜かれ,Bはそのまま下にストンと落ちてしまうからです。 よって,静止しているBが右に動き出すためには,右向きの力が必要になりますが,重力を除けば,力は接している物体からしか受けません。 BはAとしか接していないので,Bを動かした力は消去法で摩擦力以外ありえませんね! 以上のことから,「Bには右向きに摩擦力がはたらく」と結論づけられます。 また, AとBが一緒に動くということは, Aから見たらBは静止している,ということ です(Aに対するBの相対速度が0ということ)。 よって,この摩擦力は静止摩擦力になります。 「静止」摩擦力か「動」摩擦力かは 「面から見て物体が動いているかどうか」 で決まります。 さて,長くなってしまったので,先ほどの図を再掲します。 これでおしまい…でしょうか? 実は,書き忘れている力が2つあります!! 何か分かりますか? 作用反作用を忘れない ヒントは「作用反作用の法則」です。 作用反作用の法則 中学校でも習った作用反作用の法則について,ここでもう一度復習しておきましょう。... 上の図では反作用を書き忘れています!! それを付け加えれば,今度こそ完成です。 反作用を書き忘れる人が多いので,最後必ず確認するクセをつけましょう。 今回のまとめノート 時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみてください! より一層理解が深まります。 【演習】物体にはたらく力の見つけ方 物体にはたらく力の見つけ方に関する演習問題にチャレンジ!... 今回の記事はあくまで運動方程式を立てるための準備にすぎません。 力が書けるようになったからといって安心せず,その先にある計算もマスターしてくださいね! !
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