【運動の法則】力の三要素といろいろな力①

2021年7月19日

「力」とは？

日常生活の中で、いろいろな「力」を使っています。物理学は大きく「力学・熱力学・連続体力学・電磁気学」という分類をされることがありますが、ここにも「力」という文字が入ってきます。

日常生活の中でよく扱う力は「重力」でしょうかね。

では、そもそも「力」って何なのでしょうか。高校物理では、力はこのように定義されています。

たとえば、静止している物体を押したとしましょう。このとき、物体は静止している状態から、押された方向に動き始めます。

つまり、物体の運動の状態が"静止"から"運動"の状態に変わります。したがって、このとき「力」を加えたと考えることができます。

力の三要素

当たり前の話ですが、地面に置いてあるサッカーボールを蹴ると、ボールは一瞬凹んでから飛んでいきます。

これは、足がボールに対して力を及ぼしたことによって生じています。

ここから用語の説明になりますが、物体に対して力を及ぼす点のことを作用点といいます。

作用線を通り、力の向きに引いた直線を、作用線といいます。

雑な図ですみません…。

上図を見ていただいたら分かるかと思いますが、速度や加速度と同様に、「力」も向きと大きさを持つベクトルと言えます。

速度や加速度については過去に解説していますので、そちらを参考にしてみてください↓

速度は\(v\)、加速度は\(a\)を用いて表してきましたが、力は\(Force\)という英単語の頭文字の\(F\)を使って表します。

向きも持っているので矢印を付けて\(\vec{F}\)と表すことが多いです。

力の効果を決める、「力の大きさ・力の向き・作用点」の3つのことを、力の三要素といいます。

力の単位

速度の単位はm/s、加速度の単位はm/s²でした。

当然、力にも大きさを表す単位は存在します。力の単位には、ニュートン（記号：Ｎ）を用います。

質量1kgの物体に1m/s²の加速度を生じさせる力が1Nです。

ちなみに、ニュートンというのは物理学者である「アイザック・ニュートン」からつけられている名称です。この方は万有引力の法則を見つけた人物と言われており、物理学にかなり大きな影響を与えています。

アイザック・ニュートンについては別のサイトの記事を紹介しておきます。

いろいろな力の種類

ここまで力の考え方などについて説明してきました。ここからは、身近に存在している、いろんな力について紹介していきます。

重力

自由落下などの落体の運動の記事でも「重力」という単語は出てきました。自由落下についてはコチラ↓

地球は、地球上の物体に対して、引く力を及ぼしています。この力を重力といいます。

重力の大きさは、次のように表されます。

\(W\)は、物体の重力を表しており、\(Weight\)という単語の略です。

「重力」は、物体の「重さ」という風に言われることもあります。

\(m\)は物体の「質量」を表しています。質量と重さは別物なので、間違えないようにしましょう。

この式から言えることは、物体の重さは質量に比例しているということです。

ちなみに、この地球上では重力加速度の大きさ\(g\)は約\(9.8\)m/s²ですから、質量1kgの物体の重さはおよそ\(9.8\)Nです。

物体が静止していようと、自由落下していようと、運動の状態によらず、重力の大きさと向きが変わることはありません。

張力

張力とは、糸が物体に及ぼす力です。

おもりに糸を付けてつるし、静止させた状態を考えます。

このとき、糸はおもりを上に引っ張ろうとする力が働きます。この力のことを張力と言います。

この「張力」に関して、注意すべき点が一つあります。それは、「糸がしっかり伸びているとき」にのみ張力は働きます。といっても、大体の問題では、「糸がしっかり伸びている」状態ですから、そこまで問題ではないんですけどね…笑

張力は、\(Tension\)の頭文字\(T\)で表されることが多いです。

まとめ

ということで、今回の記事は以上です。何か参考になる情報があれば嬉しいです。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。