markdown
力の釣り合いと運動の法則md b76aba7
lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md
Download PDF

ちからいと運動うんどう法則ほうそく

date2026-07-14document_iddoc_b1f745a3811010c725ccd8b0f807021ddescriptionつり合いを運動方程式の加速度 0 の場合として位置づけ、自由体図から合力と加速度の関係を立式する講義である。prerequisites自由体図 / 単位・次元 / ベクトルの成分type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/mechanics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/linear-motion-and-free-fall.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/inclines-friction-and-springs.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
physicsmechanicsnewton-lawequilibriumlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、ちからいを独立どくりつした公式こうしきとしておぼえるのではなく、運動方程式うんどうほうていしき加速度かそくどが 0 になった場合ばあいとして解説かいせつする。

静止せいししている物体ぶったいだけでなく、等速直線運動とうそくちょくせんうんどうしている物体ぶったい加速度かそくどは 0 である。したがって最初さいしょ見分みわけるべきことは、「うごいているか」ではなく、「速度そくど変化へんかしているか」である。

2用語ようご定義ていぎ

合力ごうりょくnet forceとは、えらんだ物体ぶったい作用さようする外力がいりょくベクトルvector sumである。

equilibriumとは、合力ごうりょくぜろである状態じょうたいである。

F=0

運動方程式うんどうほうていしきequation of motion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

く。ちからF[N;MLT-2]質量しつりょうm[kg;M]加速度かそくどa[m/s2;LT-2] である。

3方針ほうしん

ちから問題もんだいでは、つぎ順序じゅんじょ判断はんだんする。

  1. 対象たいしょう固定こていし、自由体図じゆうたいず作成さくせいする。
  2. 正方向せいほうこう設定せっていする。
  3. 各方向かくほうこう加速度かそくどが 0 かどうかを確認かくにんする。
  4. a=0 なら F=0a0 なら F=ma使つかう。

この順序じゅんじょまも理由りゆうは、ちから候補こうほ加速度かそくどきを別々べつべつめるためである。速度そくどきだけでは、加速度かそくどきはまらない。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

合力ごうりょくは、速度そくどそのものではなく速度そくど変化へんかめる。物体ぶったいみぎすすんでいても、右向みぎむきの合力ごうりょくがあるとはかぎらない。みぎ等速とうそくすすんでいるなら、合力ごうりょくは 0 である。

いは「まっていること」ではなく、「速度そくどわらないこと」である。この見方みかたると、静止せいし等速直線運動とうそくちょくせんうんどうおなしきあつかえる。

5厳密げんみつ説明せつめい

5.1運動方程式うんどうほうていしきからいをみちび

運動方程式うんどうほうていしき

F=ma

である。静止せいしまたは等速直線運動とうそくちょくせんうんどうでは、速度そくど時間じかん変化へんかしないため

a=0

である。したがって

F=m0=0

となる。これがいの条件じょうけんである。

ぎゃくに、慣性系かんせいけいF=0 なら、運動方程式うんどうほうていしきより

ma=0

である。m>0 なので a=0 である。したがって速度そくど一定いっていである。静止せいしは、その一定速度いっていそくどが 0 の特別とくべつ場合ばあいである。

5.2単位たんい確認かくにん

右辺うへん ma単位たんい確認かくにんする。

m[kg;M][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"Big\")")]|kgM×a[m/s2;LT-2][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"Big\")")]|kgm/s2MLT-2

これは F[N;MLT-2]おな単位たんいである。したがって F=ma では左辺さへん右辺うへんちからりょうである。

6具体例ぐたいれい 1:水平面上すいへいめんじょう静止せいしする物体ぶったい

質量しつりょう m[kg;M]物体ぶったい水平面すいへいめん静止せいししている。鉛直上向えんちょくうわむきをせいとする。

自由体図じゆうたいずには、上向うわむきの垂直抗力すいちょくこうりょく N[N;MLT-2] と、下向したむきの重力じゅうりょく mg[N;MLT-2]れる。鉛直方向えんちょくほうこう加速度かそくどは 0 なので

N-mg=0

である。よって

N=mg

る。

ここで N=mg は、垂直抗力すいちょくこうりょく重力じゅうりょく作用反作用さようはんさようだからではない。おな物体ぶったい作用さようする 2 つのちからが、加速度かそくど 0 の条件じょうけんっているからである。

7具体例ぐたいれい 2:エレベーターないかけのおも

質量しつりょう m物体ぶったいが、上向うわむ加速度かそくど a のエレベーターないゆかから垂直抗力すいちょくこうりょく Nける。上向うわむきをせいとすると

N-mg=ma

である。したがって

N=m(g+a)

る。体重計たいじゅうけいしめすのは重力じゅうりょく mg ではなく、ゆかからの垂直抗力すいちょくこうりょく N である。上向うわむきに加速かそくすると Nおおきくなるため、おもかんじる。

8作用反作用さようはんさよういの区別くべつ

比較ひかく作用反作用さようはんさよう
作用さようする対象たいしょう別々べつべつ物体ぶったいおな物体ぶったい
おおきさつねひとしい条件じょうけんうとひとしい
しきなか相殺そうさいするかしない同一物体どういつぶったい合力ごうりょくとして相殺そうさいする

重力じゅうりょく垂直抗力すいちょくこうりょくおな物体ぶったい作用さようするため、作用反作用さようはんさようついではない。

9見分みわかた

  • 静止せいし等速とうそくささえる、げる、というがあれば、まず a=0うたがう。
  • 加速かそく減速げんそくうごす、というがあれば、F=ma立式りっしきする。
  • 速度そくど一定いっていなら、物体ぶったいうごいていてもいである。
  • 作用反作用さようはんさよういかでまよったら、「2 つのちからおな物体ぶったい作用さようしているか」を確認かくにんする。

10どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎしき慣性系かんせいけい成立せいりつする。加速かそくするもの回転かいてんする座標系ざひょうけいでは、慣性力かんせいりょく導入どうにゅうしないとおなかたちあつかえない。また、質量しつりょう変化へんかするけいでは、F=ma ではなく運動量うんどうりょう時間変化じかんへんかからかんがえる。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=ma
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]a=0F=0

12一言ひとことでいうと

いは、運動方程式うんどうほうていしき加速度かそくどが 0 になった場合ばあいであり、静止せいしだけでなく等速直線運動とうそくちょくせんうんどうにもあらわれる。

13演習えんしゅうリンク

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

14関連かんれんリンク

data/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/linear-motion-and-free-fall.lecture.n.md data/reference/physics/mechanics/formulating-equations-of-motion.reference.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる