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偶力と剛体のつり合いの条件

公式

力のモーメントM = Fll は腕の長さ(軸から力の作用線までの距離)。反時計回りに回す向きを正とします。
偶力のモーメントM = Fdd は2つの力の作用線の間の距離。
動き出さない合力 = 0
回り出さないモーメントの和 = 03 と 4 の両方が、剛体のつり合いの条件です。

1偶力

大きさが同じで逆向きの2つの力でも、はたらく線(作用線)がずれていると、合力が 0 なのに物体を回します。この2つの力の組を偶力といいます。

力を加えても形が変わらないとみなす、大きさのある物体を、剛体といいます。力がはたらく点を通り、力の向きに引いた線を、その力の作用線といいます。

物体を回す働きの大きさを、力のモーメントといいます。回る中心(軸)から力の作用線までの距離(腕の長さ)を l(エル)、力の大きさを F とすると、モーメントは M = Fl で、単位は N·m(ニュートンメートル)です。このページでは、反時計回りに回す向きを正とし、時計回りに回すモーメントにはマイナスを付けます。

車のハンドルを左へ回す場面を考えます。直径 0.40 m のハンドルの左の端を左手で下へ、右の端を右手で上へ、どちらも 10 N の力を加えます。

運転席から見た車のハンドル。左手でハンドルの左の端を下へ、右手で右の端を上へ、どちらも 10 N の力を加えると、ハンドルは反時計回りに回る 左手が加える力 10 N 右手が加える力 10 N
ハンドルが回った角 60° 2つの力 10 N ずつ逆向き(合力 0 N)

2つの力は逆向きで大きさが同じなので、合力は 0 です。それでもハンドルは回ります。2つの力の作用線がずれているので、2つとも同じ向き(ここでは反時計回り)に回す働きをするからです。

大きさが同じで逆向きで、作用線がずれている2つの力の組を偶力といいます。2つの力の作用線の間の距離を d で表します。

運転する人から見た、直径 0.40 m の車のハンドル(円)。中心 O に小さな十字。横の直径の両端が A(左)と B(右)。A から下向きに左手が加える力 10 N、B から上向きに右手が加える力 10 N。A・B を通る縦の破線が作用線で、その間の距離が d = 0.40 m。円の外側に、反時計回りに回ることを示す円弧の矢印 中心 O A B 左手が加える力 10 N 右手が加える力 10 N d = 0.40 m 反時計回りに回る

2つの力は大きさが同じで逆向きなので、合力は 0 です。

モーメントは、実際の軸がない所でも、点を1つ決めれば計算できます。その点から作用線までの距離を腕の長さにします。これを「その点のまわりのモーメント」といいます。

上のハンドル(直径 0.40 m、左手は下向き 10 N、右手は上向き 10 N)で計算します。作用線の間の距離は d = 0.40 m です。2つの点のまわりで、モーメントの和を計算すると、次の表のようになります(反時計回りを正)。

考える点左手の力(下向き 10 N)右手の力(上向き 10 N)和
ハンドルの中心 O10 × 0.20 = +2.0 N·m10 × 0.20 = +2.0 N·m+4.0 N·m
左手の点 A0 N·m(作用線が A を通る)10 × 0.40 = +4.0 N·m+4.0 N·m

どちらの点で考えても、和は +4.0 N·m で、10 N × 0.40 m と同じです。

偶力のモーメントは、考える点によらず、次の式で求めます。

M = Fd
F は1つの力の大きさ、d は2つの力の作用線の間の距離です。

物体が止まっているには、合力が 0 であるだけでは足りません。モーメントも考える必要があります(次の項目)。

確認

偶力だけがはたらいている物体は、止まったままでいられますか。

答え

いいえ。合力は 0 でも、モーメントが 0 ではないので回りはじめます。

例題

水道の蛇口のハンドルは、幅 0.080 m の棒の形をしています。両端を、ハンドルに垂直に、逆向きに 5.0 N ずつの力で押して回しました。この偶力のモーメントの大きさを求めなさい。

  1. 2つの力は大きさが同じで逆向きで、作用線がずれているので偶力です。
  2. 力はハンドルに垂直なので、作用線の間の距離はハンドルの幅で、d = 0.080 m です。
  3. M = Fd = 5.0 × 0.080 = 0.40 N·m です。

答え: 0.40 N·m

2剛体のつり合いの条件

剛体が止まっているには、合力が 0 で、しかもモーメントの和が 0 であることが必要です。

剛体が止まったままでいるには、動き出さないことと、回り出さないことの両方が要ります。動き出さないための条件は、力のつり合いです。剛体にはたらく力の合力が 0 になります(縦の向き・横の向きそれぞれで、力の和が 0)。回り出さないための条件は、モーメントのつり合いです。剛体にはたらく力のモーメントの和が 0 になります。2つをまとめて、剛体のつり合いの条件といいます。

合力 = 0、モーメントの和 = 0

長さ 1.0 m の軽い棒(重さを考えなくてよい棒)の両端 A・B を、天井からつるした2つのばねはかりの糸でつるし、A から 0.40 m の点に 30 N のおもりをつるします。棒は水平に止まっています。

糸が棒を引く力(張力)を T で表します。点 A の糸の張力を TA、点 B の糸の張力を TB と書きます。小さい A・B は、どちらの糸の力かを区別するための印です。ばねはかりの読みは、A の側が 18 N、B の側が 12 N です。これが TA と TB の大きさです。

天井から下げた2つのばねはかりの糸で、長さ 1.0 m の軽い棒の両端 A・B をつるし、A から 0.40 m の所に 30 N のおもりをつるした場面。棒は水平に止まり、ばねはかりの読みは A の側が 18 N、B の側が 12 N 18 N 12 N A B 30 N 0.40 m 0.60 m 1.0 m

力のつり合いは、上向きの 18 + 12 = 30 N と、おもりの糸が棒を引く下向きの 30 N で成り立っています。

モーメントの和を、点 A のまわりと点 B のまわりで計算すると、次のようになります(反時計回りを正)。

考える点TA(上向き 18 N)TB(上向き 12 N)おもりの糸の力(下向き 30 N)和
点 A0 N·m+12 × 1.0 = +12 N·m−30 × 0.40 = −12 N·m0 N·m
点 B−18 × 1.0 = −18 N·m0 N·m+30 × 0.60 = +18 N·m0 N·m

止まっている剛体では、モーメントの和は、どの点のまわりで考えても 0 になります。

糸の力が分からないときは、つり合いの式から求めます。点 A のまわりで考えると、TA の作用線は A を通るので、TA のモーメントは 0 です。式には TB だけが残ります。TB × 1.0 − 30 × 0.40 = 0 から、TB = 12 N です。力のつり合い TA + TB = 30 から、TA = 18 N です。

重さのある棒では、棒の重力も力の1つとして描きます。太さ(板なら厚さ)や材質がどこも同じ物体を、一様な物体といいます。一様な棒は、真ん中を指1本で支えると、水平のまま止まります。そこで、一様な棒や板の重力は、真ん中に1本の力としてはたらくとして描きます。

剛体のつり合いの問題は、次の手順で解きます。
① 剛体にはたらく力をすべて描く(一様な棒なら、真ん中に重力)
② 力のつり合いの式を立てる(合力 = 0)
③ 点を1つ選び、その点のまわりのモーメントの和 = 0 の式を立てる(分からない力の作用線が通る点を選ぶ)

次の図では、おもりをかける位置を変えると、2つのばねはかりの読みがどう分かれるかを確かめます。

天井からつるした2つのばねはかり A・B で、長さ 2.0 m の軽い棒の両端 A・B をつるし、棒につまみで決めた位置に 40 N のおもりをかけた図。ばねはかりの窓の針が読みを指す。棒には A を 0 とする 0 から 2.0 m の物差し。棒にはたらく力として、糸 A が棒を引く力 T_A と糸 B が棒を引く力 T_B(上向き、長さは力に比例)、おもりの糸が棒を引く力 40 N(下向き)。糸と棒は少し離して描き、点線でつないでいる ばねはかり A ばねはかり B A B 糸 A が棒を引く力 TA 糸 B が棒を引く力 TB 40 N おもりの糸が 棒を引く力 40 N 糸と棒を離して 描いています

棒の長さは 2.0 m で、棒の重さは考えません。おもりの重さは 40 N です。

ばねはかり A の読み TA ばねはかり B の読み TB TA + TB =

やってみよう

(1) おもりをかける位置を、真ん中(1.00 m)から A に近づけて、0.50 m にしてください。ばねはかり A と B の読みはいくつになりましたか。(2) ばねはかり A の読みが 25 N になるのは、おもりをどこにかけたときですか。

分かること

(1) A は 30 N、B は 10 N です。和は 40 N のままです。(2) 0.75 m です。このとき B は 15 N です。

確認

両端を糸でつるした棒で、モーメントを考える点を、糸 A がつく点 A に選ぶと、式が楽になるのはなぜですか。

答え

TA の作用線が点 A を通るので、TA のモーメントが 0 になり、式に TA が出てこないからです。

例題

長さ 1.2 m の軽い棒の左の端 A と右の端 B を、2本の鉛直な糸でつるしました。A から 0.30 m の点に、重さ 60 N のおもりをつるすと、棒は水平に止まりました。糸 A の張力 TA と糸 B の張力 TB を求めなさい。

  1. 棒にはたらく力は、TA(上向き)、TB(上向き)、おもりの糸が棒を引く力 60 N(下向き)の3つです。軽い棒なので、棒の重力は考えません。
  2. 力のつり合いから、TA + TB = 60 です。
  3. 点 A のまわりで、モーメントの和 = 0 の式を立てます。TB は反時計回り、おもりの糸の力は時計回りです。
  4. TB × 1.2 − 60 × 0.30 = 0 から、TB = 18 ÷ 1.2 = 15 N です。
  5. 2 の式から、TA = 60 − 15 = 45 N です。

答え: TA = 45 N、TB = 15 N

練習問題

力の大きさの単位は N、モーメントの単位は N·m です。反時計回りに回す向きを正とします。重さは N で与えるので、重力加速度は使いません。三角比は sin 30° = 0.500 を使います。

パターン1 偶力のモーメント

問1直径 0.36 m の丸いハンドルの左右の端を、両手で逆向きに 15 N ずつの力を加えて回しました。力はどちらもハンドルの横の直径に垂直です。この偶力のモーメントの大きさを求めなさい。

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5.4 N·m

2つの力は大きさが同じで逆向きで、作用線がずれているので偶力。力は横の直径に垂直なので、作用線の間の距離は直径で、d = 0.36 m。M = Fd = 15 × 0.36 = 5.4 N·m

問2長さ 0.50 m の棒の両端に、大きさ 12 N の力を逆向きに加えました。どちらの力も、棒と 30° の角をなす向きで、2つの力の作用線は平行です。この偶力のモーメントの大きさを求めなさい。

30° 30° 12 N 12 N 0.50 m
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3.0 N·m

左の端から、右の端の力の作用線へ垂直に線を下ろすと、棒(0.50 m)を斜辺とする直角三角形ができます。d は、この三角形で 30° の角の向かいの辺の長さです。向かいの辺 = 斜辺 × sin 30° なので、d = 0.50 × sin 30° = 0.50 × 0.500 = 0.25 m。M = Fd = 12 × 0.25 = 3.0 N·m

d = 0.25 m 30° 30° 12 N 12 N 0.50 m

パターン2 軽い棒のつり合い

問3シーソーの軸の左 2.0 m に、重さ 300 N の人が座っています。重さ 500 N の人が軸の右側に座って、シーソーを水平につり合わせるには、軸から何 m の所に座ればよいですか。板の重さは考えません。座っている人は、自分の重さと同じ大きさの力で、板を真下へ押します。

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1.2 m

右の人の位置を軸から x とする。左の人の力は板の左側を下げるので反時計回り、右の人の力は時計回り。軸のまわりのモーメントの和 = 0 から、300 × 2.0 − 500 × x = 0。x = 600 ÷ 500 = 1.2 m

問4長さ 2.0 m の軽い棒の両端 A・B を、2本の鉛直な糸で天井からつるしました。A から 0.50 m の点に重さ 20 N のおもりを、A から 1.5 m の点に重さ 40 N のおもりをつるすと、棒は水平に止まりました。糸 A の張力 TA と糸 B の張力 TB を求めなさい。

A B 20 N 40 N 0.50 m 1.5 m 2.0 m
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TA = 25 N、TB = 35 N

力のつり合いから TA + TB = 20 + 40 = 60。A のまわりのモーメントの和 = 0 から、TB × 2.0 − 20 × 0.50 − 40 × 1.5 = 0、TB × 2.0 = 10 + 60 = 70、TB = 35 N。TA = 60 − 35 = 25 N

パターン3 重さのある一様な棒のつり合い

問5長さ 1.6 m、重さ 50 N の一様な棒があります。棒の端 A を床の上の小さな台にのせ、もう一方の端 B に結んだ糸を鉛直上向きに引いて、棒を水平に止めました。
(1) 糸が B を引く力の大きさを求めなさい。
(2) 台が A を押す力の大きさを求めなさい。

A B 1.6 m
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(1) 25 N (2) 25 N

棒にはたらく力は、棒の重力 50 N(棒の真ん中、A から 0.80 m。下向き)、糸が B を引く力 T(上向き)、台が A を押す力 N(上向き。台は A に下から触れている)。A のまわりのモーメントの和 = 0 から、T × 1.6 − 50 × 0.80 = 0、T = 40 ÷ 1.6 = 25 N。力のつり合いから N + T = 50、N = 50 − 25 = 25 N

糸と棒を離して描いています A B 棒の重力 50 N T N 1.6 m

問6長さ 3.0 m、重さ 200 N の一様な板の両端 A・B を、2つの台で下から支えました。重さ 600 N の人が、A から 1.0 m の所に立っています。台 A が板を押す力 NA と、台 B が板を押す力 NB を求めなさい。

台 A 台 B 600 N 1.0 m 3.0 m
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NA = 500 N、NB = 300 N

板にはたらく力は、板の重力 200 N(真ん中、A から 1.5 m。下向き)、人が板を押す力 600 N(A から 1.0 m。下向き)、NA・NB(上向き)。力のつり合いから NA + NB = 200 + 600 = 800。A のまわりのモーメントの和 = 0 から、NB × 3.0 − 200 × 1.5 − 600 × 1.0 = 0、NB × 3.0 = 300 + 600 = 900、NB = 300 N。NA = 800 − 300 = 500 N

台 A 台 B 600 N NA NB 人が板を 押す力 600 N 板の重力 200 N 1.0 m 3.0 m

つまずきやすいところ

まとめ

公式

力のモーメントM = Fll は腕の長さ(軸から力の作用線までの距離)。反時計回りに回す向きを正とします。
偶力のモーメントM = Fdd は2つの力の作用線の間の距離。
動き出さない合力 = 0
回り出さないモーメントの和 = 03 と 4 の両方が、剛体のつり合いの条件です。

物理 第2章 剛体

  1. 剛体のつり合い(力のモーメント)
  2. 偶力と剛体のつり合いの条件
  3. 剛体のつり合い(重心)
  4. 剛体のつり合い(応用)
  5. 剛体のつり合い(倒れる条件)

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