| English | 意味 |
|---|---|
| force/fɔːs/ | 力 |
| free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ | 自由体図 |
| newton/ˈnjuːtn/ | ニュートン |
| weight/weɪt/ | 重量 |
| normal force/ˈnɔːml fɔːs/ | 垂直抗力 |
| tension/ˈtenʃn/ | 張力 |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | 摩擦力 |
| net force/net fɔːs/ | 合力 |
一図にすべての押し引きを
- テーブルの上の本は何もしていない——しかし同時に複数の力が作用している。
- 重力が下向きに引き、テーブルが上向きに押し、手が横方向に押すこともある。
- 明確に考察するためには、物理学者はその物体に働く力以外すべてを取り除く。
- その結果得られるのが自由体図——力学において最も有用な図である。
力とは何か
- 力とは押しや引くことであり、ベクトルであり、単位はニュートン ($\text{N}$) です。
- 大きさと方向を持つため、力は単純な数ではなくベクトルとして加算される。
- 力は常に2つの物体間の相互作用から生じる。
- $1\ \text{N}$ は小粒のリンゴの重さにおよそ相当する。
力のSI単位は何ですか？
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力はニュートン（$\text{N}$）で測られます。ジュールはエネルギー、ワットは電力、パスカルは圧力を測ります。
一般的な力の種類
- 重力 $mg$ — 重力による引き、常に真下 toward。
- 垂直抗力 $N$ — 表面が自身に対して垂直に押す力。
- 張力 $T$ — ロープや紐に沿って引かれる力。
- 摩擦力 $f$ — 表面がすべりに対抗し、表面に平行に働く力。
どの力が、物体が載っている表面に対して常に垂直ですか？
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垂直抗力は、表面が自身に対して垂直に押し出す力として定義されます。摩擦力は表面に沿って平行に働きます。
自由体図の描き方
- 物体を点に縮小し、その点から各力を矢印で描く。
- 物体に作用する力のみを含める——物体が他物体に与える力は含めない。
- 矢印の向きを正しく描き、長い矢印ほど力が大きいことを示します。
- 各矢印を正しい向きに描く；長い矢印＝大きい力。
自由体図を作成する
印加力、摩擦、質量を変化させて、力の矢印と合力がどのように応答するか観察してください。
自由体図には、物体が他の物体に加える力を含めるべきです。
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自由体図は、選ばれた物体に働く力のみを示し、物体が他に加える力は示しません。
ブロックが粗い卓上で押されています。自由体図に含まれるべきすべての力を選択してください。
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四つの力すべてがブロックに働いています。ブロックが卓上に加える力は 卓上 に働くため、除外されます。
力の合成
- ベクトルと同様に、成分ごとに力を足し合わせます。
- 成分ごとに力を加算する——他のベクトルと同様。
- 力が釣り合えば合力はゼロとなり、物体は一定速度を保つ。
- 釣り合わなければ、残りの合力が加速度を生む（次のレッスン）。
Crate が $10\ \text{N}$ 右向きと $4\ \text{N}$ 左向きの力を感じています。合力の水平成分は、$\text{N}$ で幾らですか？
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右向きを正とする場合：$10 - 4 = 6\ \text{N}$ 右向き。
物体に働く合力は、それに働くすべての力の____和です。
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力には方向があるため、単純な計算和ではなく、ベクトル和として組み合わされます。
支持力は常に重力と等しいわけではありません。斜面にある場合や、物体を押したり引き上げたりする場合、$N$は変化します。$N = mg$と仮定せず、表面に垂直な方向の力から計算してください。
垂直抗力は常に重力と等しいわけではない。斜面や、物体を押す・持ち上げる場合、$F = 10\ \text{N}$ が変化する。$f = 4\ \text{N}$ と仮定してはいけない——表面に垂直な力から計算すること。
- 水平方向の正味の力 $= 10 - 4 = 6\ \text{N}$、右向き。
- 垂直方向では、$N$ と $mg$ が釣り合っているため、コンテナは床に留まります。
力（ニュートン単位）とは、相互作用による押しや引きのことです。自由体図は、一点から矢印で一つの物体に働くすべての力を示します。正味の力はそれらのベクトル和であり、支持力が必ずしも $mg$ であるとは限りません。