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斜面・摩擦・ばねの力学md 95b5308
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斜面しゃめん・摩擦まさつ・ばねの力学りきがく

date2026-07-14document_iddoc_f88e132baff31ec893597d1de4f5fc46description斜面・摩擦・ばねを、自由体図、軸、静止条件、自然長からの変位という四つの判断に分解し、運動方程式とエネルギーへ自然に接続する講義である。prerequisites自由体図 / 運動方程式 / 三角比 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md
physicsmechanicsinclined-planefrictionspringlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、斜面しゃめん・摩擦まさつ・ばねを別々べつべつの公式こうしきとして共通きょうつうする立式手順りっしてじゅんを説明せつめいする。本質ほんしつは常つねに

∑F→=ma→

であり、難むずかしさは力ちからの種類しゅるいではなく、軸じく・摩擦まさつの判定はんてい・ばねの変位へんいの定義ていぎを曖昧あいまいにすることから生しょうじる。

最初さいしょに見みるべきものは、次つぎの四よっつである。

  1. 対象たいしょうに働はたらく力ちからは何なにか。
  2. 斜面しゃめんに平行へいこう・垂直すいちょくな軸じくを取とると簡単かんたんか。
  3. 摩擦まさつは静止摩擦せいしまさつとして足たりるか、動摩擦どうまさつへ切きり替かわるか。
  4. ばねの変位へんいは自然長しぜんちょうから測はかっているか、平衡位置へいこういちから測はかっているか。

2用語ようごと定義ていぎ

垂直抗力すいちょくこうりょくnormal force N は、接触面せっしょくめんが物体ぶったいを面めんに垂直すいちょくな向むきへ押おす力ちからである。

静止摩擦力せいしまさつりょくstatic friction fs は、接触面せっしょくめんどうしが相対的そうたいてきに動うごき出だすことを妨さまたげる摩擦力まさつりょくである。大おおきさは

|fs|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN

を満みたす。等号とうごうは限界げんかいの場合ばあいだけである。

動摩擦力どうまさつりょくkinetic friction fk は、すでに滑すべっている接触面せっしょくめんにはたらく摩擦力まさつりょくである。大おおきさは

fk=μkN

であり、向むきは相対運動そうたいうんどうに逆さからう。

フックの法則ほうそくHooke's lawは、ばねの自然長しぜんちょうからの変位へんいを x とすると、ばねの力ちからが

F=-kx

で与あたえられるという法則ほうそくである。k[N/m;MT-2] はばね定数ていすうである。

3方針ほうしん

斜面しゃめん・摩擦まさつ・ばねの問題もんだいでは、次つぎの順序じゅんじょを固定こていする。

  1. 自由体図じゆうたいずを描えがく。
  2. 斜面しゃめんがあれば、斜面方向しゃめんほうこうと垂直方向すいちょくほうこうへ分解ぶんかいする。
  3. 静止せいしの可能性かのうせいがあれば、先さきに必要ひつような静止摩擦力せいしまさつりょくを未知量みちりょうとして解とく。
  4. |fs|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN を満みたすか確認かくにんする。
  5. ばねがあれば、自然長しぜんちょうからの変位へんいで F=-kx を書かく。

この順序じゅんじょにする理由りゆうは、静止摩擦力せいしまさつりょくを最初さいしょから μsN と置おく誤あやまりと、ばねの符号ふごうを位置座標いちざひょうと混同こんどうする誤あやまりを防ふせぐためである。

4整理せいり 1:斜面しゃめんでの重力じゅうりょく成分せいぶん

傾斜角けいしゃかく θ の斜面しゃめんでは、重力じゅうりょく mg の斜面方向しゃめんほうこう成分せいぶんは mgsinθ、斜面しゃめんに垂直すいちょくな成分せいぶんは mgcosθ である。

4.1証明しょうめい

斜面しゃめんに垂直すいちょくな方向ほうこうは、鉛直方向えんちょくほうこうから角度かくど θ だけ傾かたむいている。重力じゅうりょくは鉛直下向えんちょくしたむきなので、重力じゅうりょくと垂直方向すいちょくほうこうのなす角かくは θ である。

したがって、垂直方向すいちょくほうこうへの射影しゃえいは

mgcosθ

である。重力じゅうりょくの大おおきさは mg であり、直交成分ちょっこうせいぶんに分解ぶんかいしているから、斜面方向しゃめんほうこうの成分せいぶんは

(mg)2-(mgcosθ)2=mgsinθ

である。

5整理せいり 2:静止摩擦せいしまさつの判定はんてい

静止せいししていると仮定かていして求もとめた必要摩擦力ひつようまさつりょくを freq とする。このとき

|freq|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN

なら静止せいしは可能かのうであり、これを満みたさないなら静止せいしは不可能ふかのうである。

5.1証明しょうめい

静止摩擦力せいしまさつりょくの定義ていぎは |fs|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN である。静止せいしを保たもつために必要ひつような摩擦力まさつりょくが freq なら、実際じっさいの静止摩擦力せいしまさつりょくは fs=freq でなければならない。

もし |freq|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN なら、この fs は静止摩擦力せいしまさつりょくの許容範囲きょようはんいに入はいるので、静止せいしできる。逆ぎゃくに |freq|>μsN なら、定義ていぎを満みたす静止摩擦力せいしまさつりょくが存在そんざいしないので、物体ぶったいは滑すべり出だす。

傾斜角けいしゃかく θ の斜面しゃめんで、ほかに斜面方向しゃめんほうこうの力ちからがない場合ばあいは、静止せいしの仮定かていから

freq=mgsinθ,N=mgcosθ

である。したがって

mgsinθ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsmgcosθ

より

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]tanθ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μs

を得える。

6整理せいり 3:ばねの平衡位置へいこういちからの変位へんい

鉛直えんちょくばねで下向したむきを正せいとし、自然長しぜんちょうからの伸のびを x とすると

mx¨=mg-kx

である。平衡位置へいこういち x0=mg/k からのずれを u=x-x0 と置おけば

mu¨=-ku

となる。

6.1証明しょうめい

自然長しぜんちょうから x だけ伸のびたばねは、上向うわむきに kx の力ちからを及およぼす。下向したむきを正せいにしたので、ばねの力ちからは -kx である。重力じゅうりょくは +mg だから、運動方程式うんどうほうていしきは

mx¨=mg-kx

である。平衡位置へいこういちでは x¨=0 なので

0=mg-kx0

より x0=mg/k である。u=x-x0 と置おくと、x0 は定数ていすうなので u¨=x¨ である。よって

mu¨=mg-k(u+x0)=mg-ku-kx0=-ku

を得える。

7単位たんいの確認かくにん

摩擦係数まさつけいすう μ は無次元むじげんである。したがって

μN[N;MLT-2]

は力ちからの単位たんいをもつ。

ばねの力ちからは

k[N/m;MT-2]×x[m;L]⇒kx[N;MLT-2]

である。ばねに蓄たくわえられるエネルギー 12kx2 は、次つぎの「仕事しごとと力学的りきがくてきエネルギー」で仕事しごとの積分せきぶんとして導みちびく。

8具体例ぐたいれい 1:摩擦まさつのない斜面しゃめん

斜面しゃめんを下くだる向むきを正せいとする。摩擦まさつがなければ、斜面方向しゃめんほうこうの合力ごうりょくは mgsinθ である。よって

ma=mgsinθ

から

a=gsinθ

を得える。垂直方向すいちょくほうこうには加速度かそくどがないので

N=mgcosθ

である。

9具体例ぐたいれい 2:動摩擦どうまさつのある斜面しゃめん

物体ぶったいが斜面しゃめんを下くだって滑すべっているなら、動摩擦力どうまさつりょくは斜面しゃめんを上のぼる向むきである。よって

ma=mgsinθ-μkmgcosθ

となり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]a=g(sinθ-μkcosθ)

を得える。

10見分みわけ方かた

  • 静止せいししている、または滑すべるかどうかを問とうなら、まず fs を未知量みちりょうとして解とく。
  • すでに滑すべっているなら、fk=μkN を使つかう。
  • 瞬間しゅんかんの加速度かそくどを問とうなら、運動方程式うんどうほうていしきを使つかう。
  • 最大圧縮さいだいあっしゅくや速はやさを問とうなら、仕事しごととエネルギーへ接続せつぞくする。
  • ばねの問題もんだいでは、自然長しぜんちょうからの変位へんいと平衡位置へいこういちからの変位へんいを区別くべつする。

11どこまで成立せいりつするか

フックの法則ほうそくは弾性限界だんせいげんかいの範囲はんいで使つかう。摩擦係数まさつけいすうを一定いっていとみなすのも近似きんじである。接触面せっしょくめんの状態じょうたい、温度おんど、速度そくどで変化へんかする場合ばあいがある。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]mg∥=mgsinθ,mg⊥=mgcosθ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|fs|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]μsN,fk=μkN
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Fspring=-kx

13一言ひとことでいうと

斜面しゃめん・摩擦まさつ・ばねの問題もんだいは、特殊公式とくしゅこうしきではなく、自由体図じゆうたいず、軸設定じくせってい、静止摩擦せいしまさつの上限じょうげん、ばねの変位へんいの定義ていぎを正ただしく運動方程式うんどうほうていしきへ渡わたす問題もんだいである。

14関連かんれんリンク

data/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md
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