運動方程式の計算問題〜物体を切り離して力を書き出す手順
運動方程式そのものは の 行しかない。つまずくのは式の形ではなく、右辺に何を書くかのほうです。
手順はどの問題でも変わらない。物体を つ切り離し、それにかかる力だけを書き出し、正の向きを決めてから足します[1]。
書き出す力は、接触しているものからの力と重力に限られる。「勢い」や「向心力」を書き足すと、二重に数えることになります。
物体なら、この手順を 回まわして式を 本立てます[1]。

例:水平に引く
なめらかな床に置いた の物体を、水平に で引きます。鉛直方向はつり合っているので、書くのは水平方向だけになる。
例:摩擦のある床で引く
同じ物体を、動摩擦係数 の床で引きます。垂直抗力は で 。
摩擦力はその 倍で 、向きは進む向きと逆です。
摩擦力を先に数値にしておくと、符号を落としにくくなる。
例:なめらかな斜面をすべる
度の斜面では、軸を斜面に沿ってとるのが定石です[1]。重力を斜面方向と垂直方向に分ける[2]。
斜面方向の成分は 、垂直方向は になる。動くのは斜面方向だけなので、そちらを書きます。
が消えました。斜面をすべる加速度は、質量によらず角度だけで決まる[2]。
例:摩擦のある斜面
同じ斜面に動摩擦係数 を入れます。垂直抗力は なので、摩擦力は 。
両辺を で割ると、やはり質量が消える。
が より小さければ右辺が負になり、物体は動き出しません。境目は で、この場合は 度。
例:エレベーターの中の体重計
質量 の人が体重計に乗ります。体重計が押し返す力を として、人について式を立てます。上向きを正にとった。
上向きに で加速しているとき、 で [1]。
下向きに なら で になる。ロープが切れて自由落下すれば で です。
一定の速さで上がっているあいだは なので、 のまま動かない。効くのは速さではなく加速度です。
例:接触した 2 物体を押す
と の物体を並べ、 で押します。摩擦はないものとする。
全体を つと見れば、加速度がすぐ出る。
接触面で押し合う力は、後ろの について立てた式から出ます。この物体を押しているのは接触力だけ。
例:机の上と吊るした物体
なめらかな机に を置き、端の滑車を通して を吊るします。動く向きを正にそろえて 本立てる[3]。
足すと が消える。
張力は上の式に戻して でおよそ 。吊るした物体の重さ より小さくなっています。
例:斜面と滑車を組み合わせる
度のなめらかな斜面に を置き、頂点の滑車を通して を吊るします。吊るしたほうが下がる向きを正とする。
足して を消すと、右辺は になる。
張力は でおよそ 。下の式へ入れると で、 と一致します。
本のうち片方で答えを出し、もう片方で確かめる。これが立式の検算になる。
式が 1 本で済み、加速度が速く出る。内力は消えるので、張力や接触力は出てこない
式は物体の数だけ増えるが、内力も同時に出る。どの力がどこに働くかも見える
例:糸が切れた瞬間
さきほどの斜面の問題で、糸が切れたとします。吊るした は自由落下に変わり、 で落ちる。
斜面の からは張力が消え、重力の斜面成分だけが残る。
正の向きに対して負なので、斜面を下る向きに 。切れる前は上っていたぶん、いったん減速してから戻ってきます。
斜面の問題では、軸を水平と鉛直ではなく斜面に沿った向きにとります。動く向きに軸を合わせると、加速度の成分が つで済む。
斜面に平行な向きと垂直な向きにとった座標軸。重力だけを分解すればよく、垂直抗力と摩擦力はそのまま軸に乗る。
立てた式で確かめる
式を立てたあと、答えの大小に見当がつくかを確かめておくと、符号のとり違えに気づけます。吊るした物体の張力なら、重さより大きいか小さいかが先に読める。
なめらかな机の上の と、滑車を通して吊るした が動いています。糸の張力について正しいものはどれですか。
- になる
- は より小さい
- は より大きい
- と の大小で決まる















吊るした物体について ma=mg−T が成り立ちます。下向きに加速している以上 a>0 なので、T は mg より小さくなる。もし等しければ a=0 で、動いていないことになります[1]。M の大きさは、a の値を変えるだけで大小関係は変えません。