物理のヒント集｜ヒントその６．物体に働く力を正しく図示しよう
問題を解き直してみよう
問題を解き直す前に、力の作用図を描くときのコツを確認しておきましょう。
物体に働く力を判断しよう
力の作用図を描くためには、実際にどんな力が物体に働いているのかを判断する必要があります。判断のコツは「物体が何と接触しているか」にあります。
- 物体とばねが接触＝ばねの弾性力
- 物体と糸が接触＝糸の張力
- 物体と床が接触＝垂直抗力や摩擦力
重力以外の張力、弾性力、垂直抗力、摩擦力は、すべて物体と接触していることで発生する力
言い換えると、重力以外の力は、物体に接触していないと発生しないということです。このことを忘れなければ、物体にどんな力が働いているかを判断することができるはずです。
重力以外の力は物体と接触することで働く。それに対して、重力は物体と非接触でも働く。重力だけは別格。
問題に再チャレンジ
問題とメガネ君の答案をもう一度見てみましょう。
今ならメガネ君の答案のどこが間違っているのか分かるはずです。
小球Ａと接触しているのは、ばねと糸です。ですから、重力のほかに、ばねの弾性力と糸の張力が小球Ａに働きます。小球Ｂに働く重力は、小球Ｂに働くのであって、小球Ａには働きません。
小球Ａに働く力
- 重力…小球Ａの中心から、鉛直下向きに働く。
- ばねの下端と接触＝ばねの弾性力…ばねの下端から、ばねが縮む方向（＝鉛直上向き）に働く。
- 糸の上端と接触＝糸の張力…糸の上端から、糸の方向（＝鉛直下向き）に働く。
また、小球Ｂと接触しているのは糸だけです。ですから、重力のほかに、糸の張力が小球Ｂに働きます。ばねとは接触していないので、ばねの弾性力は働きません。
小球Ｂに働く力
- 重力…小球Ｂの中心から、鉛直下向きに働く。
- 糸の下端と接触＝糸の張力…糸の下端から、糸の方向（＝鉛直上向き）に働く。
このことを踏まえて、小球Ａ，Ｂに働く力を図示してみるとどうなるでしょうか？
正しくは以下のようになります。物体Ａ，Ｂに働く力が異なるので、別々に図示しましょう。なお、図(3)，(4)では、見やすさを優先して矢印を配置しています。
ちなみに、図(3)，(4)の力の作用図を利用すると、鉛直方向の力関係が分かります。力のつり合いが分かれば、簡単に立式することができます。
小球Ａについて
- 鉛直上向き：ばねの弾性力 $kx$
- 鉛直下向き：重力 $mg$ と糸の張力 $T$ の合力
小球Ｂについて
- 鉛直上向き：糸の張力 $T$
- 鉛直下向き：重力 $Mg$
たとえば、①，②式から張力Ｔを消去すれば、ばねの伸びを求めることができます。なお、小球Ａ，Ｂにそれぞれ働く糸の張力は等しいことに注意しましょう。
「伸びない軽い糸の両端での張力は等しい」とみなして良いことになっている。
さいごにもう一度
どうじゃ、分かったかの？
はいっ！ 力のことをちゃんと理解していませんでした。
そうじゃな。これも定義を正しく覚えていないことから起こる間違いじゃの。
不徳の致すところです(>_<)
メガネ君は難しい言葉を知っとるのぅ。
とても参考になったのが、重力以外の力が接触していないと発生しないということです。次は正解できそうなので、さっそく矢印書きたくなりましたっ！
単純な複合物体なら簡単にこなせるじゃろう。もっと複雑なものもあるから、まぁ要練習じゃの。
分かりましたっ！ 次こそは正解してみせますっ！
メガネ君は相変わらずメンタル強いのぅ。次回も楽しみじゃ。
お任せくださいっ！
物理・物理基礎のオススメ本
- 宇宙一わかりやすい高校物理（力学・波動）
- 宇宙一わかりやすい高校物理（電磁気・熱・原子）
物理入門者や、物理を苦手にしている人に導入書としておすすめです。教科書が学習の中心であるべきですが、どうしても教科書で理解できない箇所が出てきたら本書で補完すると良いでしょう。イラストが豊富なので独学でも使えます。
分冊になっているので、力学と波動以外の分野はもう１冊の方になります。
- 秘伝の物理講義［力学・波動］
- 秘伝の物理講義［電磁気・熱・原子］
YouTubeで完全公開されている講義を再現したのが本冊です。また、別冊の「動画テキスト兼ポイント集」で物理の「わからない」を解決できます。公開模試、学校平均点全国No.1を取らせた実力派教師の講義は一読の価値あり。独学にも向き、標準以上も対応可能です。
分冊になっているので、力学と波動以外の分野はもう１冊の方になります。
物理教室（河合塾series）
所有していますが、これ１冊で基礎から応用まで十分対応できます。理系志望者は一読してほしいのが本書です。
物理の内容が分野ごとに章立てされており、各分野ごとに筋道を通した理解ができます。網羅性が高いのは当然ですが、「物理的な見方や考え方」が自然に身につくように丁寧に解説されています。
また、入試を意識して問題を多く扱っているのも特徴で、問題集代わりにも使えます。基礎を身に着けたい人は参考書として、応用力を養いたい人は問題集として、実力に応じて使いこなせる構成になっています。
問題集の『物理のエッセンス』は有名ですが、同じ河合塾seriesなので相性も良いです。
