Frank
こんにちは＜Frank＞です。
今日からもう一度高校物理を参考に学習していきます。
物理音痴の私ゆえ、骨格となる学習項目だけは準拠させていただこうと思います。内容は噛み砕いて書きますのでご了承願います。
参考図書を取り寄せたところ、良品で特に問題はありませんでした。解説の文字も大きくて、物理音痴の私にはちょうどいいスピードで概略が学べそうです。私の姉
妹ブログ実践数学の達人と並行して学習していきます。
さて高校物理で学ぶ物体に働く力についてですが、力は物体の運動
状態を変える原因となるもので、以下のように分類できます。
１．物体に働く力の分類
１）場の力（フィールドフォース）
物体が他の物体との間に直接接触せずに受ける力で、例えば重力、電
場力、磁場力などがあります。
・重力：地球が物体を引っ張る力で、地球表面近くでは物体には
質量 𝑚 に対して重力 𝐹 = mg が働きます。ここで 𝑔 は
重力加速度（約 9.8 m/s²）です。
・電場力：電荷が電場内で受ける力で、電場強度 𝐸 の中で電荷 𝑞
が受ける力は 𝐹 = qE です。
・磁場力：磁場内で運動する電荷が受ける力で、速度 𝑣 で運動す
る電荷 q が磁場強度 B の中で受ける力は 𝐹 = q(v×B) で
す。
２）接触力（コンタクトフォース）
物体が他の物体に直接接触して受ける力で、例えば摩擦力、垂直抗力
などがあります。
・垂直抗力：物体が面に接触しているとき、その面が物体を押し
返す力で、通常接触面に垂直に働きます。
・摩擦力：物体が他の物体との接触面に沿って滑ることを妨げる
力で、静止摩擦力、最大摩擦力、動摩擦力に分けられ
ます。
２．接触力の種類
１）垂直抗力
物体が面に接触しているとき、接触面が物体を垂直に押し返す力で、
例えば机の上に置かれた本に働く垂直抗力です。
２）摩擦力
物体が他の物体との接触面に沿って滑ることを妨げる力で、以下の３
種類があります。
・静止摩擦力（すべり始めるまでの摩擦力）
物体が静止している間に働く摩擦力で、物体が動き出す直前ま
で増加します。最大値が最大静止摩擦力になります。
・最大摩擦力
物体が動き始める瞬間の摩擦力で、静止摩擦力の最大値です。
最大摩擦力 𝐹s は、垂直抗力 𝑁 と摩擦係数 𝜇𝑠 の積として表
されます。𝐹𝑠 = 𝜇𝑠N。
・動摩擦力（滑り摩擦力）
物体が滑り始めた後に働く摩擦力で、静止摩擦力よりも小さく、
一定値であることが多いです。動摩擦力 𝐹𝑘 は、垂直抗力 𝑁 と
動摩擦係数 𝜇𝑘 の積として表されます。𝐹𝑘 = 𝜇𝑘𝑁。
３．慣性力
慣性力は慣性系（加速度を持たない座標系）に対する非慣性系（加速
度を持つ座標系）において見かけ上発生する力です。例えば急ブレー
キをかけた車内で感じる前方への力が慣性力の一例です。
以上、物体に働く力は、直接接触せずに働く場の力と、接触して働く
接触力に分けられます。接触力にはさらに垂直抗力と摩擦力があり、
摩擦力は静止摩擦力、最大摩擦力、動摩擦力に分類されます。
これらの力の理解は物体の運動や力のつり合いを考える上で重要です。
以下、力学を一通り学習した方向けの問題です。正解は末尾に書い
ています。ご参照ください。
【問題】
質量 𝑚 = 2kg の物体が、摩擦のない水平面上を一定の力 𝐹 = 10N で引
かれて運動している。物体は静止していた状態から次第に速度を増
し、次のように３つの場面で挙動が観察された。
１．力 𝐹 が物体に加わってから 𝑡 = 2秒 の時点での速度を求めよ。
２．物体が滑らかな壁に接触し、壁から垂直に押される力 𝑁 が生じた。
このときの接触力 𝑁 を求めよ。ただし、物体の水平方向の速度は
壁に衝突しても変わらないものとする。
３．壁に接触し続ける間、加速度 𝑎 を一定としたとき、この状況にお
いて見かけの慣性力 𝑓𝑖 が物体にどのように作用するか説明せよ。
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ed with my reflections and comments, which I plan to expand upon af-
ter completing the study of the reference materials.
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【模範解答】
１．𝑡 = 2秒 の時点での速度
運動方程式に基づき、ニュートンの第二法則を用いる。
𝐹 = 𝑚𝑎
よって、加速度 𝑎 は
𝑎 = (𝐹／𝑚) = (10／2) = 5 m/s2
物体は静止状態から始めており、初速度 𝑣0 = 0 なので、速度 𝑣 は
𝑣 = 𝑣0 + 𝑎𝑡 = 0 + (5 × 2) = 10 m/s
したがって、
𝑡 = 2秒の時点での速度は
10 m/s である。
2. 接触力
𝑁 物体が壁に接触する場合、壁からの反発力が働く。この反発力は
水平方向で生じる垂直な接触力 𝑁 である。壁に接触した状態でも
物体は引き続き動いているため、力のつり合いを考慮する。水平面
において物体が滑らかな壁に押されているため、反作用として壁か
ら垂直な力が加わる。接触力 𝑁 は壁が物体を押し返す力であり、
問題文の設定では水平な動き自体には影響がないと仮定する。この
ため、𝑁 = 0N（壁に接触するだけで、速度変化がない場合）である。
3. 慣性力
𝑓𝑖 の作用
慣性力とは、非慣性系（加速度系）において、観測者から見て物体
に働くかのように見える仮想的な力である。今回の問題では、物体
が壁に接触し続ける間、加速度 𝑎 = 5 m/s2 が一定であるため、慣性
力は加速運動に反対方向に働く。
非慣性系においては、物体に見かけの力 𝑓𝑖 が働き、次のように表さ
れる。
𝑓𝑖 = −𝑚𝑎 = −(2 kg) × (5 m/s2) = −10N
この慣性力は、物体が加速度を持つ方向とは逆向きに作用する力と
して感じられる。
したがって、慣性力は 10N の大きさで物体に反対方向に作用する。
※この記事の英語版は、私の英語ブログAMISTADでチェック！
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