まとめ
解説
物体が静止し続けるためには、2つの条件が満たされている必要があります。1つは「並進運動のつり合い」で、物体を平行移動させようとする力の合計（ベクトル和）がゼロになる状態です。もう1つは「回転運動のつり合い」で、ある点を中心とした力のモーメント（力×距離）の合計がゼロになる状態を指します。これらが成立することで、物体は加速も回転もせず、その状態を維持します。
てこの原理においては、支点・力点・作用点の位置関係によって3つの種類に分類されます。また、太さが一様な棒を扱う場合、その幾何学的な中心を「重心」とし、棒自体の重さがその一点に作用していると考えて計算を行います。例えば、棒の右端に20gのおもりを吊るし、中心をばねばかりで支えて水平になった際、ばねばかりが70gを示していれば、棒の重さは70gからおもりの20gを引いた50gであると導き出せます。
| てこの種類 | 中央に位置する要素 | 具体例 |
|---|---|---|
| 第1種てこ | 支点 | はさみ、シーソー、釘抜き |
| 第2種てこ | 作用点 | 栓抜き、手押し車、くるみ割り |
| 第3種てこ | 力点 | ピンセット、箸、和太鼓のバチ |
つり合いの概念は、固体だけでなく流体（液体や気体）にも適用されます。例えば、水深10m（1000cm）では1cm2あたり1kgの水圧がかかりますが、この圧力差によって生じる上向きの力が「浮力」です。空気中で重さ100g・体積10cm3の物体を水に入れた際、10g分の浮力が働くため、ばねばかりは90gを示します。また、パスカルの原理によれば、密閉された液体の一部に加えた圧力は全体に均等に伝わるため、断面積の比が1:9である2つのピストンを用いることで、加える力も1:9の比率でつり合いを保つことができます。さらに、輪軸のつり合いでは、半径の比と力の比が反比例の関係になることを利用して計算を行います。
シーソーで遊んでいるとき、右と左の重さが同じでピタッと止まることがありますね。このように、力がぶつかり合って動かなくなった状態を「つり合い」と呼びます。
理科のテストでは「てこ」の問題がよく出ます。てこには、力を入れる「力点」、支えになる「支点」、力がはたらく「作用点」の3つがあります。はさみやピンセット、せん抜きなどは、この3つの場所がどこにあるかによって、使い心地や力の大きさが変わる仕組みになっています。
また、水の中ではたらく「浮力」もつり合いに関係しています。船が水に浮いているのは、船の重さと、水が船を押し上げる力がちょうど同じになっているからなのです。
実は、空気にも重さがあります。私たちはいつも空気から押されていますが、私たちの体の中からも同じ力で押し返しているため、つぶれずにつり合いを保っているんですよ。
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