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静力学の法則①(力のつりあい)-物理学科の物理解説部屋-

第1章:静力学

1.1 静力学の法則

①力がつりあうということ

このページに来てくれた人のほとんどの人が思ったと思います。

 

静力学って何?

 

そう、まずはここから説明しましょう!

 

静力学

時間変化しない状態のみを考える力学(物体が動かないということ)

発見者はニュートン

 

多くの人がニュートンはリンゴが木から落ちたのを見てこの法則を発見したと思っているでしょう!

 

だけど、ニュートンのすごいところはそこじゃ無いんです!!!

 

ニュートンはリンゴが木から落ちたことで、確かに重力を発見しました!

 

だけど、ここで1つの疑問が起きました

 

じゃあ、何で月は地面に落ちてこないの??

 

これ、今だったら当たり前だけど当時は謎だった!

 

これを万有引力の法則から巧みに証明したのがニュートンのすごいところなんだ!

 

つまり、ニュートンのすごいところはリンゴが落ちてくる理由と月が落ちてこない理由のどちらもを巧みに説明したというところなんだ!!!

 

ちょっと、余談が長引いてしまったんで本題に戻そう。

 

今回静力学の法則としてみなさんに知っておいて欲しい法則を2つ紹介したい!

 

静力学の法則
  • 物体が止まっているのならば、物体に働いている力の和は0(逆に言うと、力が運動を生じさせる)
  • 二つの物体A,Bがあり、AからBに力が働くとき、BからAにも力が働く。この力は互いに逆向きであって大きさは等しい。 (作用・反作用の法則)

 

つまり、この1.1章で何を学んで欲しいかと言うと、

 

まとめ

静止している物体を見た

「そこには力が働いていない」

or

「複数の力が働いていてその和が0(力がつりあっている)」

 

という思考回路を身につけて欲しい!!

 

 

②鉛直な力のつりあい

さっきの章では力がつりあうということは物体が動かないということだというのを学んだと思います。

 

でもここでみなさんは思ったと思います!

 

ただつりあうといってもどんな時につりあうんだろう??

 

そう、つりあうには方向が重要になってくる!!

 

題名にある通り、まずは鉛直(縦)方向のつりあいに注目していこう!

 

そもそも、鉛直って何なの?と思った人のために鉛直の定義についてまとめておく。

 

鉛直
地球の重力の働く方向(上下方向)

 

つまり、普段僕たちが何気なく見ている物体は重力と何かしらの上向きの力がつりあって静止しているんだ!

 

じゃあ、「この謎の上向きの力って何だろう?」とは何だろう??

 

もし、重力につりあう力が存在しなかったら、、、

 

図のようになる!!

 

だけど、実際には壊れていない!!

 

じゃあ、この床は力を出して物体を上向きに押しているはず!!

 

この力を垂直抗力と呼ぶことにした!

 

垂直抗力の定義は以下のようになっている

 

垂直抗力
常に垂直に働き壊れないように抗う力

 

以上のようにして、重力mgと垂直抗力Nがつりあっていることがわかった!!

 

 

③力の描き方の注意点

初等力学は図が書ければたいてい解ける!

 

だからこそ作図には注意が必要なんだ!!

 

ここで力の作図の注意点は3つ!!

 

力の三要素
  1. 大きさ
  2. 向き
  3. 作用点(力が働いている点)

 

一番重要なのは、「力の矢印」の根本が力が働いている場所を表現しているということ!

 

上図のように矢印の根本を意識して作図できるようになろう!

 

左の図は力の矢印の根本が注目している物体にきているのでOK!

 

真ん中の図は力の矢印の根本が全く力の加えていない位置にあるためNG!

 

右の図は力の矢印の根本が指先にきているからNG!指が押すことによって物体が左側に動くわけだから力の矢印の根本は物体に乗っかっていないといけないわけだ!!

 

1.1まとめ

  • 物体が静止しているということは、働いている力の和が0になるということを押さえておこう!!
  • 鉛直とは上下方向のこと!
  • 垂直抗力とは常に垂直に働き壊れないように抗う力!!
  • 力の三要素は大きさ・向き・作用点

 

以上のことをしっかりと理解しておこう!!

 

オススメ参考書

高校生向けの参考書はこちら

大学生向けのオススメ参考書はこちら

 

各講義の後にこれらの参考書を使って問題演習や読み込みを行なって理解を深めましょう!!



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    とある東京の国立理系大学に在学。

    物理工学を専攻中。

     

     



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