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力の図と運動方程式md 4e4c5b2
lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md
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ちから運動方程式うんどうほうていしき

date2026-07-14document_iddoc_46cd19ffc39c0b71b21dae0c8d4a1a65description自由体図を、対象を固定して外力だけを列挙し、運動方程式へ移すための手順として整理する講義である。prerequisites単位・次元 / ベクトルの基本 / 一次方程式type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/foundation/physics-foundations-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/foundation/units-dimensions-and-significant-figures.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md / data/reference/physics/mechanics/formulating-equations-of-motion.reference.n.md / data/exercise/physics/foundation/units-and-free-body-diagrams.exercise.n.md
physicsfoundationfree-body-diagramequation-of-motionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、運動方程式うんどうほうていしき立式りっしきするまえに、対象たいしょうを 1 つに固定こていし、その対象たいしょう作用さようする外力がいりょくだけを自由体図じゆうたいずfree-body diagram記入きにゅうすることについて説明せつめいする。

力学りきがく誤答ごとうおおくは、公式こうしきらないことではなく、しきれるちからあやまることからしょうじる。速度そくど矢印やじるしちからとしてえがく、作用反作用さようはんさよう相手側あいてがわちからおなれる、じくめずに符号ふごうく、という失敗しっぱいけるために、自由体図じゆうたいず手順てじゅんとしてあつかう。

2用語ようご定義ていぎ

自由体図じゆうたいずfree-body diagramとは、えらんだ 1 つの物体ぶったいまたはけい作用さようする外力がいりょくexternal forceだけを矢印やじるしあらわしたである。

内力ないりょくinternal forceとは、えらんだけい内部ないぶ物体ぶったいどうしがおよぼしちからである。系全体けいぜんたい運動量うんどうりょうかんがえるとき、内力ないりょくたがいに構造こうぞうをもつ。

運動方程式うんどうほうていしきequation of motionとは、慣性系かんせいけい質量しつりょう一定いってい物体ぶったいたいして

F=ma

ける関係式かんけいしきである。ここで F自由体図じゆうたいずれた外力がいりょくのベクトルである。

3方針ほうしん

自由体図じゆうたいずから運動方程式うんどうほうていしきすす手順てじゅんつぎである。

  1. 対象たいしょう決定けっていする。
  2. 対象たいしょう直接ちょくせつ作用さようするちからだけを列挙れっきょする。
  3. じく正方向せいほうこう設定せっていする。
  4. ちから軸方向じくほうこう分解ぶんかいする。
  5. 成分せいぶんごとに F=ma立式りっしきする。

この順序じゅんじょにする理由りゆうは、対象たいしょうめるまえには外力がいりょく内力ないりょくまらず、じくめるまえには符号ふごうまらないからである。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

自由体図じゆうたいずは、運動方程式うんどうほうていしき合力ごうりょくつくるための一覧表いちらんひょうである。っていないちからしきらない。余計よけいちかられれば、しきにも余計よけいこうはいる。

重要じゅうようなのは、運動うんどうきとちからきをちがいを説明せつめいする。物体ぶったいみぎうごいていても、右向みぎむきのちから作用さようしているとはかぎらない。等速直線運動とうそくちょくせんうんどうなら合力ごうりょく0[N;MLT-2] である。

5厳密げんみつ説明せつめい

5.1対象たいしょう固定こていする

運動方程式うんどうほうていしきは、対象たいしょうめてはじめて意味いみをもつ。物体ぶったい A について立式りっしきするなら、A に作用さようするちからだけをす。

A が B をちからと、B が A をちからは、作用反作用さようはんさようaction and reactionついである。しかし、前者ぜんしゃは B に、後者こうしゃは A に作用さようする。したがって、A の自由体図じゆうたいずれるのは B が A をちからだけである。

5.2代表的だいひょうてきちから

ちから記号きごう単位たんい
重力じゅうりょくgravitymg鉛直下向えんちょくしたむN
垂直抗力すいちょくこうりょくnormal forceN接触面せっしょくめん垂直すいちょくN
張力ちょうりょくtensionTいと沿ってN
摩擦力まさつりょくfrictionf相対運動そうたいうんどうまたはその傾向けいこうさからうN
弾性力だんせいりょくelastic forcekx自然長しぜんちょうもどN

すべてちからなので、単位たんいF[N;MLT-2] である。速度そくど v[m/s;LT-1]加速度かそくど a[m/s2;LT-2]ちからではないため、自由体図じゆうたいずちから一覧いちらんにはれない。

5.3成分せいぶん分解ぶんかいする

じく設定せっていしたら、

Fx=max,Fy=may

成分せいぶんごとに立式りっしきする。運動うんどうしない方向ほうこうでは a=0くため、

F=0

といういのしきになる。したがって、いは別公式べつこうしきではなく、運動方程式うんどうほうていしき加速度かそくどが 0 の場合ばあいである。

6具体例ぐたいれい斜面上しゃめんじょう物体ぶったい

傾斜角けいしゃかく θ斜面しゃめん質量しつりょう m[kg;M]物体ぶったいく。摩擦まさつ無視むしする。

対象たいしょう物体ぶったい 1 つである。作用さようするちからは、重力じゅうりょく mg[N;MLT-2]垂直抗力すいちょくこうりょく N[N;MLT-2] である。じく斜面しゃめん平行へいこう下向したむきと、斜面しゃめん垂直すいちょく外向そとむきに設定せっていする。

斜面しゃめん平行へいこう方向ほうこうでは

ma=mgsinθ

であり、斜面しゃめん垂直すいちょく方向ほうこうでは物体ぶったいめんからはなれないので

N-mgcosθ=0

である。したがって

a=gsinθ,N=mgcosθ

る。

このれい斜面しゃめん沿ったじくえら理由りゆうは、加速度かそくど一方向いちほうこう集中しゅうちゅうし、垂直抗力すいちょくこうりょく垂直方向すいちょくほうこうしきだけにあらわれるからである。

7見分みわかた

  • ちから張力ちょうりょく垂直抗力すいちょくこうりょく摩擦まさつ登場とうじょうしたら、まず自由体図じゆうたいず作成さくせいする。
  • 複数ふくすう物体ぶったいがあるなら、物体ぶったいごとに自由体図じゆうたいずける。
  • 斜面しゃめんでは、水平すいへい鉛直えんちょくよりも斜面しゃめん平行へいこう垂直すいちょくじくさきためす。
  • 接触せっしょくいとがある問題もんだいでは、N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0T[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 という物理的制約ぶつりてきせいやく確認かくにんする。

8どこまで成立せいりつするか

F=ma慣性系かんせいけい使つかう。加速かそくする座標系ざひょうけい回転座標系かいてんざひょうけいでは、慣性力かんせいりょく追加ついかする必要ひつようがある。また、質量しつりょう変化へんかするけいでは、運動量うんどうりょう変化へんか [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]dpdtもど必要ひつようがある。

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]対象を固定する外力だけを描く軸を決めるF=ma
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Fx=max,Fy=may

10一言ひとことでいうと

自由体図じゆうたいずは、運動方程式うんどうほうていしきれる外力がいりょく過不足かふそくなくめるためのである。

11演習えんしゅうリンク

data/exercise/physics/foundation/units-and-free-body-diagrams.exercise.n.md

12関連かんれんリンク

data/lecture/physics/foundation/physics-foundations-portal.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md data/reference/physics/mechanics/formulating-equations-of-motion.reference.n.md
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