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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 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]

着目する物体を決め、まわりから切り離します。
その物体にかかる力だけを書き出す。触れているものからの力と、重力だけ。
動く向きを正と決め、 力の合計 を書く。

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

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。

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、[1]

下向きに なら になる。ロープが切れて自由落下すれば 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

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。

全体を 1 つと見る

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

1 つずつ切り離す

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
  • より小さい
  • より大きい
  • の大小で決まる
__RESULT__

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

まちがえやすいところ

物体にかかる力に「勢い」や「進もうとする力」を書き足すと外します。書くのは接触と重力だけ。
斜面で重力を分解せず のまま書くと合いません。斜面方向の成分は です。
垂直抗力をいつも と書くと外れる。斜面では 、加速するエレベーターではさらに変わります。
エレベーターが上がっているから体重計の値が増えると考えると誤りです。効くのは加速度で、速さではない。
物体で正の向きを別々に決め忘れると、符号が合わなくなります。動く向きにそろえておく。

出典

Solving Problems with Newton's Laws - University Physics Volume 1, OpenStax
Kräfte an der schiefen Ebene - Landesbildungsserver Baden-Württemberg
La deuxième loi de Newton - Alloprof
手順はどの問題でも同じで、物体を切り離し、触れているものからの力と重力だけを書き出し、動く向きを正にして $ma$ と等号で結ぶだけ。水平に引く、摩擦のある床、なめらかな斜面、摩擦のある斜面、エレベーターの体重計、接触した $2$ 物体、机の上と吊るした物体、斜面と滑車の組み合わせ、糸が切れた瞬間まで順に解いていきます。斜面では軸を斜面に沿ってとると加速度の成分が $1$ つで済み、$2$ 物体では片方で出した答えをもう片方で確かめられる。