高校生の物理 力3 摩擦力 M-99 No294
2011年6月23(木)
先生 この部屋の中のものは、ほとんどのものが動かないで止まっているのをどう思うかな。
一平 ぼくたちは生きているんだし、時計には電池がはいっているから動くけど、他のものは動く仕掛けがないので、動かないのは当然でしょう。
先生 動く仕掛けがないものが動かないのを、どう思うって聞いたんだよ。
和美 止まっているのが自然だから。
一平 机やコップなんかが自然に動き出したら、気持ち悪いよ。
先生 そういう意味じゃないんだ。
一平 そういう言い方でない言い方って？
和美 力がつりあっているから、と言えばいいのかしら。
先生 もう少し丁寧に言ってごらんよ。
和美 机の上の花瓶には、重力がはたらいているけど、机から上向きの力がはたらいていて、この二つの力がつりあているから、止まっている。
一平 どんなものにも下向きの重力がはたらいているんだから、ものの下には何かがあって、それから上向きの力を受けて、止まっていることになります。
先生 もし、私がミカンを机の上で放り投げたらどうなるかな？
和美 すぐに止まってしまうんでしょ。
一平 止めようとする力がはたらいて止まってしまう。
和美
まさつがあるからです。
先生 それを力で言ってごらん。
和美 ミカンには動いて行く方向に力がはたらいているんだが、これと反対の方向にまさつの力がはたらいて、その２つの力がつりあって、ミカンは止まってしまう。
一平 下向きの重力と、机や糸の上向きの力がつりあったのと似ている。
先生 ちょっと気になるところがあるが、おおよそ、そんなところかな。校庭にある跳び箱を動かそうとして、一平くんが横から押したが、動き出さなかった。さて？
和美 頑張りが足りなかったから。
先生 力でいうんだったね。縦の方向については、跳び箱にはたらく重力と、グランドが跳び箱を上に押す力とがつりあっていて、
それは一平くんが横に押すこととは関係ない。横の方向については…
一平 ぼくが跳び箱を押す力とグランドのまさつがつりあっていて、動き出さない。
和美 まさつ力は一平さんが押すのとは反対の方向に押すのね。一平くんが反対側から押すと、まさつ力はまたその反対側に押すんです。まさつは必ず反対の方向にはたらくんです。
先生 表現の仕方についてちょっと注意しておこう。まさつは力なので＜まさつ力＞と表現することにしよう。それから、方向と向きとは意味が違うということを知って欲しい。例えば、縦の関係でいえば、上下の方向で上向きとか、鉛直方向下向きとかいう。横の関係でいえば、左右の方向で右向き、東西方向東向きとか、いうんだ。
和美 わかりました。それでは、まさつ力は一平くんが押した力と同じ方向で逆向きにはたらくんですね。
先生 そうそう。それでは、一平くんがもっと頑張って跳び箱を押したらどうなるだろう。
一平 ぼくがだんだん大きな力で押すと、しまいには、あるところで、跳び箱は動き出すと思います。
和美 例えば、一平くんが２キロの力で押すと、まさつ力も２キロの力で反対し、５キロの力で押すと、まさつ力も５キロの力で反対する。まさつ力はいつでも、一平くんの調子につきあいながら反対する。でも、それには限界があって、しまいには一平くんに負けてしまって、例えば、一平くんが８キロの力で押すと、まさつ力はつきあいきれなくなって、跳び箱は動き出すことになる。
先生 最大のまさつ力を最大まさつ力といいます。
一平 最大まさつ力はものが置かれた面の状態でも違ってきますね。
和美 ザラザラしたものは最大まさつ力は大きいことになりますね。それから、相手がザラザラした面の場合にも…
、
一平 重いものは最大まさつ力も大きいでしょ。
先生 そうそう。
一平 同じものを２つ横に並べて横から引くと、１つの場合の２倍の力でないと動きださないから、最大まさつ力は２倍になりますが…
和美 同じものを縦に重ねた場合にはどうなるかしら。
一平 それは、やってみないとわからないんじゃない。
先生 前の、横に並べた場合を並列といっておこう。並列では２つのものを別々に動かすことを考えてから、一緒に考えれば、力が２倍必要であることが理解できる。今、一平くんが言った通りだ。これは＜重ね合わせの原理＞だ。二つのものが重なっているという意味ではないゾ。後の、縦に重ねた場合を直列といっておこう。この場合には、そうは簡単にはいかない。ただし、これは実験してみると、やはり２倍になることがわかっている。
一平 まさつ力とは、この場合、跳び箱とグランドが引っ掛かりあって起きているんでしょ。だから、跳び箱の段を重ねて２倍になれば、引っ掛かりも２倍になると思ったらどうですか。
先生 まさつ力のメカニズムはそう簡単ではないようだけど、だいだいそんな感じだと思っていいようだ。
一平 ということは、重いものが動きにくいのは、最大まさつ力が大きいからだと考えていいですね。少しくらいの力がはたらいても、ものは動き出さない。はじめの問題の答えが出ましたね。
先生 そうだね。そして、まさつ力は状況によって違うけど、最大まさつ力はその重さの2〜3割と考えていいだろう。
和美 横の力は縦の力の2、3割、ということネ。
一平 だいたい、野球のバッターの打率なみですね。
和美 10キロの机は2〜3キロの力で引けば動き出すということです。覚えやすい！
先生 そうそう。転がす場合には、1/100程度になってしまう。およその話だけどね。
和美 ずっと軽い力で動き出すんですね。ほぼ１％の力で…。動いている場合にも、重さの１％くらいの力がこれを止めようとするのですね。
先生 動いて行く力の１％で…、ということではないんだけどね。
和美 ？
