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動滑車

動滑車

出典: Wikipedia
一般小学生

まとめ

動滑車
軸が固定されず、物体とともに移動する滑車
  • 物体を支えるひもが2本になるため、引く力は物体と滑車の合計重量の半分で済む
  • 物体を一定の高さまで引き上げる際、その2倍の長さのひもを引く必要がある
  • 仕事の原理に基づき、力が軽減される一方で移動距離が増加し、仕事の総量は変化しない

解説

動滑車は、ひもの一端が固定され、滑車自体が荷重とともに移動する構造を持っています。この仕組みの最大の特徴は、物体の重さを2本のひもで分散して支える点にあります。物理学における「仕事の原理」によれば、道具を用いても仕事(力×距離)の総量は変わりません。そのため、力が半分になる代わりに、動かす距離が2倍になるという反比例の関係が成立します。

定滑車と動滑車の主な違いは以下の通りです。

比較項目 定滑車 動滑車
力の大きさ 変化なし(重さと同じ) 1/2に軽減
引く距離 変化なし(移動量と同じ) 2倍に増加
力の向き 自由に変えられる 上向きに限定
滑車の動き 固定されている 物体と共に移動する
コラム

実際の計算問題では、滑車自体の重さを考慮する必要があります。この場合、引く力は「(物体の重さ + 滑車の重さ)÷ 2」という式で算出されます。また、動滑車を「てこ」のモデルとして捉えることも可能です。ひもが固定されている点を支点、おもりが吊るされている中心を作用点、ひもを引く端を力点とすると、腕の長さの比が1:2のてこと同じ原理であることが理解できます。

さらに、複数の動滑車を組み合わせる「組み合わせ滑車」では、支えるひもの本数が増えるほど必要な力はさらに小さくなります。例えば、動滑車を2つ組み合わせた場合、手で引く力は元の重さの4分の1(滑車の重さを無視した場合)まで軽減されますが、引く距離は4倍必要になります。

小学生のみなさんへ

動滑車は、おもりといっしょに動く車輪のような道具です。この道具を使うと、重いものを持ち上げるときに、いつもの半分の力で持ち上げることができます。なぜなら、2本のひもでおもりを支えているからです。

ただし、力は半分ですみますが、ひもを引く長さは2倍になります。たとえば、おもりを10センチ持ち上げたいときは、ひもを20センチも引かなければなりません。このように、力は楽になるけれど、動かす距離きょりは長くなるという決まりがあります。

ルラスタコラム

工事現場で使われる大きなクレーン車の中にも、この動滑車が使われています。重い鉄骨てっこつなどを持ち上げるために、たくさんの滑車を組み合わせて、小さな力で動かせるように工夫されているんですよ。

テストでの問われ方・理解度チェック

【基礎】 動滑車を1つ使って100gのおもりを持ち上げるとき、手で引く力は何gになりますか。ただし、滑車の重さは考えないものとします。
50g
【応用】 動滑車を使うと、定滑車を使うときと比べて「引く力」と「ひもを引く距離」はそれぞれどうなりますか。
引く力は半分になり、ひもを引く距離は2倍になります。
【実践】 重さ20gの動滑車を使って100gのおもりを10cm持ち上げるとき、手で引く力は何gで、ひもを引く距離は何cmですか。
引く力は60g、ひもを引く距離は20cmです。

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