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| 力について |
| 質量のあるものを手に持つと、手は真下に引かれようとします。また、ばねの一端を手で引っ張ると、ばねは加えた力の方向に伸びますが、元に戻ろうとして手を引っ張り返します。 このような作用や静止している物体を動かしたり静止させたり、あるいは物体を変形させる作用を力学では力といいます。 |
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作用には、作用と同じ直線上で大きさが等しく、向きが反対の作用が働きます。この反対に働く作用を反作用といいます。 ばねを手で引っ張った時、バネは手を逆の方向に引っ張ろうとします。
この働きが反作用です。 |
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| 物体を動かす力の大きさ |
物体の質量が大きくなるほど、その物体を動かすためには大きな力が必要です。 物体を動かすために大きな力を必要とするのは、質量が大きくなるほど大きな万有引力、つまり、力が作用しているからです。地球は、地球上の物体に対して9.80665m/ｓ２の重力加速度を与えていますが、力学の試験においては簡略して9.8m/ｓ２としています。
力の大きさは、｢物体の質量×9.8｣で求めることができます。１kgの質量の物体に作用する力の大きさは、9.8Ｎ (１kg×9.8 )になります。この9.8Ｎという数値は、地球上の１kgの物体に働く重力の大きさ、すなわち物体を動かす力の大きさを表しています。重力加速度9.8という数値は、質量を力に換算する定数として用いられ、単位にはＮ
(ニュートン)やｋＮ(キロニュートン)が用いられています。kgに定数9.8を掛けた時はＮの単位、ｔに定数を掛けた時はｋＮの単位を使用します。 |
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| 量 |
計算式 |
物体を動かす力の大きさ |
| 1 kg |
1 kg×9.8 |
9.8Ｎ |
| 1000kg |
1000kg×9.8 |
9800Ｎ |
| 1ｔ |
1ｔ×9.8 |
9.8ｋＮ |
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| 力の三要素 |
| 力には、力の大きさ、力の向き、力の作用点の３つの要素があり、これを力の三要素といいます。力の大きさ、力の向き、力の作用する位置のいずれかを変えると、物体に与える効果が変わります。ただし、作用線上で作用点を動かしても力の効果は変わりません。力の大きさや速度のように、大きさと方向を持つ量をベクトル量といい、２つ以上の力を合成したものを合成ベクトルといいます。また、仕事量や高さのように大きさだけを表す場合は、スカラ量といいます。 |
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| ○ |
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力の三要素 |
| 力の大きさ |
…… |
どれぐらいの力か。 |
| 力の方向 |
…… |
どの方向に働いているか。 |
| 力の作用点 |
…… |
どこに作用しているか。 |
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力の大きさは、図で表すと分りやすい。たとえば、力の大きさが５Ｎ(ニュートン)の時、１Ｎの力を１ｃｍの長さとすると、力の作用点から力の方向に５ｃｍの作用線を引き、力の向きを矢印で表すことができます。 |
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| 力の合成と分解 |
| １つの物体に２つ以上の力が作用する時、これらの力を合成して１つの力に置き換えることができます。この合成した力を合力といい、合成以前のそれぞれの力を分力といいます。 |
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| ○ |
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１点に作用する２つの力の合成 |
図のような点ＯにＦ１とＦ２の２つ力が作用する時は、点ＡからＯＢに平行な線ＡＣを引き、点ＢからはＯＡに平行な線ＢＣを引いて平行四辺形を作ります。続いて点Ｏから点Ｃまで直線を引くと、Ｆ１とＦ２の合力Ｒを求めることができます。 これを力の平行四辺形の法則といいます。
この法則を逆に応用すれば、１つの力を互いにある角度を持つ２つ以上の力に分けることができます。これを力の分解といいます。 |
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| ○ |
１点に作用する３つ以上の力の合成 |
| １点に作用する力が３つ以上ある場合も平行四辺形の法則を用いて合力を求めることができます。Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の合力は、Ｆ１とＦ２を二辺とする平行四辺形を作り、Ｆ１とＦ２の合力であるＲ１を求めます。続いてＲ１とＦ３を二辺とする平行四辺形を作り、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の合力Ｒ２を求めます。 このように１つの物体に大きさの異なる多数の力が作用する時は、物体は合力の方向に動きます。 |
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| ○ |
一直線上に作用する２つの力の合成 |
| 一直線上に２つの力が作用する時の合力は、２つの力の方向が同じであれば力の和で示し、力の方向が反対であれば力の差で示します。 |
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| Ｒ＝Ｆ１−Ｆ２ |
Ｒ＝Ｆ１＋Ｆ２ |
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| ○ |
平行な２つの力の合成 |
図のような物体の点Ａ、Ｂに、それぞれ平行な力であるＦ１とＦ２が作用している時は、同一線上で向きが反対で大きさの等しい力をその物体に加えても物体に与える影響がないことを利用して、Ｆ１とＦ２の合力Ｒを求めることができます。
図の点ＡとＢを結ぶ直線上に点Ｃと点Ｄを加え、平行四辺形の法則によってＦ１とＡＣの合力Ｒ１及びＦ２とＢＤの合力Ｒ２を求めます。 次に、Ｒ1とＲ２の作用線を延長して交点Ｏを求めます。続いて、点ＯからＲ1とＲ２に等しい(Ｒ1)(Ｒ２)を定め、平行四辺形の法則を用いてＲ1とＲ２の合力Ｒを求めます。Ｒは、Ｆ１とＦ２の和、つまりＦ１とＦ２の合力であり、方向はＦ１とＦ２に平行になります。 |
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