一般小学生
まとめ
- 物体に複数の力がはたらいているが、それらが互いに打ち消し合って、物体が静止または等速直線運動を続けている状態を指す
- つり合いが成立するためには「力の大きさが等しい」「向きが反対」「同一直線上にある」という3つの条件をすべて満たす必要がある
- 1つの物体にはたらく力の関係であり、2つの物体の間ではたらき合う「作用・反作用」とは物理的な意味が異なる
- 力のつり合い
- 1つの物体にはたらく複数の力が互いに打ち消し合い、その物体に力がはたらいていないのと同じ状態になること
解説
力のつり合いとは、ある物体に加わっているすべての力を合わせた「合力」がゼロになっている状態のことです。例えば、机の上に置かれた本には、地球が引く「重力」と、机が押し返す「垂直抗力」の2つの力がはたらいています。これら2つの力の大きさが等しく、向きが真反対で、かつ同じ直線上に並んでいるとき、本は動かずにその場に留まります。これが力のつり合いの基本モデルです。
物理学において重要なのは、力のつり合いと「作用・反作用」を混同しないことです。力のつり合いは、あくまで「1つの物体」に注目したときの力の関係を指します。一方で作用・反作用は、力を及ぼし合う「2つの物体」の間で発生するペアの力です。以下の表でその違いを整理します。
| 比較項目 | 力のつり合い | 作用・反作用 |
|---|---|---|
| 対象となる物体の数 | 1つの物体 | 2つの物体 |
| 力の向き | 反対向き | 反対向き |
| 力の大きさ | 等しい | 等しい |
| 同一直線上か | 同一直線上にある | 同一直線上にある |
| 力の合成 | 合成してゼロにできる | 異なる物体にはたらくため合成できない |
コラム
力のつり合いは、ばねや浮力が絡む複合的な現象でも頻繁に登場します。例えば、ばねにおもりを吊るした場合、おもりにはたらく重力と、ばねが縮もうとする「弾性力」がつり合っています。ばねを直列や並列に連結したり、滑車を介して吊るしたりする場合でも、それぞれの接点や物体ごとに力のつり合いの式を立てることで、ばねののびや荷重を正確に算出できます。
また、液体中にある物体には「浮力」がはたらきます。物体が水面に浮いて静止しているとき、その物体にはたらく重力と、水から受ける浮力は完全につり合っています。浮力の大きさは、物体が押しのけた液体の重さに等しくなるため、液体の密度や物体が沈んでいる部分の体積によって変化します。これらの要素を組み合わせた計算問題は、入試や試験において非常に重要な得点源となります。
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