滑車の利用とは？中学受験・高校受験の頻出ポイントをわかりやすく解説

一般小学生

まとめ

滑車の利用: 定滑車や動滑車を単独または組み合わせて用い、物体を引き上げるために必要な力の大きさや向きを制御する物理的な手法

解説

滑車には主に「定滑車」と「動滑車」の2種類があります。定滑車は軸が固定されており、力の向きを自由に変えることができますが、必要な力の大きさは物体の重さと変わりません。一方、動滑車は物体と一緒に動く仕組みで、2本のひもで重さを支えるため、引く力は物体の重さの半分で済みます。

しかし、動滑車を使って力を小さくした場合、ひもを引く距離は物体が動く距離の2倍になります。このように、道具を使っても最終的な仕事の総量（力×距離）が変わらないことを「仕事の原理」と呼びます。以下にそれぞれの特徴を比較します。

項目	定滑車	動滑車
力の大きさ	変わらない	半分になる
引く距離	変わらない	2倍になる
力の向き	変えられる	変わらない

コラム

滑車の応用として「輪軸（りんじく）」があります。これは半径の異なる円盤を組み合わせたもので、回転のバランスは「左へ回すはたらきの合計＝右へ回すはたらきの合計」という式で表されます。ここで「回すはたらき」は「力の大きさ×半径」で計算されます。

また、複数の動滑車を組み合わせた「組み合わせ滑車」では、動滑車の数に応じて力を1/nに減らすことができますが、引く距離はn倍必要になります。現実の計算問題では、滑車自体の重さや摩擦が無視できない場合があるため、問題文の条件を慎重に読み取ることが重要です。

小学生のみなさんへ

重い荷物を持ち上げるときに便利なのが「滑車かっしゃ」という道具です。天井などに固定して使う「定滑車かっしゃ」は、ひもを下に引いて荷物を上に上げられるので、自分の体重をかけて楽に作業ができます。

荷物といっしょに動く「動滑車かっしゃ」を使うと、荷物の重さを2本のひもで分担するので、半分の力で持ち上げることができます。ただし、ひもを引く長さは荷物を動かしたい距離の2倍必要になります。力は半分で済むけれど、引く長さは2倍になるので、結局使うエネルギーの合計は変わりません。これを「仕事の原理げんり」といいます。

ルラスタコラム

エレベーターの中にも大きな滑車が隠れています。おもりとカゴを滑車でつなぐことで、モーターの力を節約してスムーズに動かせるよう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】滑車や斜面などの道具を使っても、仕事の総量（力×距離）が変わらないことを何というか

仕事の原理

【応用】定滑車と動滑車を比較したとき、力の大きさを小さくできるのはどちらか。その理由と併せて答えなさい。

定滑車は力の向きを変えるだけで大きさは変えられませんが、動滑車は物体を支えるひもが2本になるため、引く力を物体の重さの半分に減らすことができます。

【実践】動滑車を1つ使って物体を持ち上げる際、計算上は力が半分になるが、実際にはそれ以上の力が必要になるのはなぜか。記述しなさい。

滑車自体の重さや、ひもと滑車の間に生じる摩擦力を考慮する必要があるため、計算上の値よりも大きな力が必要になります。

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