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剛体のつり合いの基本md 4568416
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剛体ごうたいのつりいの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_3e2581cb2cfd3ddcd8331f0c750bd521description剛体の静止条件を、合力と力のモーメントの二つの条件として定義し、つり合いの条件と支点まわりの考え方を証明付きで整理する講義である。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 回転運動の基本 / 慣性モーメントの基本 / ベクトルの外積 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/rotational-motion-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/center-of-mass-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/moment-of-inertia-basics.lecture.n.md
physicsmechanicsrigid-bodytorquelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、ひろがりをもつ物体ぶったいでは「うごかない」ために、合力ごうりょくが 0 であるだけではりないという性質せいしつ説明せつめいする。

質点しつてんなら、ちから合計ごうけいが 0 なら加速度かそくどは 0 である。しかし剛体ごうたい回転かいてんできる。合力ごうりょくが 0 でも、ちから作用線さようせんがずれていればまわはじめる。そこで、並進へいしんめる条件じょうけん回転かいてんめる条件じょうけんける。

2用語ようご定義ていぎ

剛体ごうたいrigid bodyとは、物体ぶったい内部ないぶ距離きょりわらないとみなせる理想化りそうかである。

ちからのモーメントtorque τ とは、基準点きじゅんてんからちから作用点さようてんかう位置いちベクトルを rちからF として

τ=r×F

定義ていぎするりょうである。平面へいめん問題もんだいでは、おおきさは

τ=Fd

である。ここで d基準点きじゅんてんからちから作用線さようせんまでの垂直距離すいちょくきょりである。

作用線さようせんline of actionとは、ちからきに沿って作用点さようてんとお直線ちょくせんである。

3方針ほうしん

剛体ごうたいのつりいでは、しきを 2 種類しゅるいける。

  1. 並進へいしんるために F=0てる。
  2. 回転かいてんるために τ=0てる。
  3. 未知みちちからおおいときは、そのちから作用線さようせんとおてん基準点きじゅんてんえらび、モーメントからす。

4条件じょうけん 1:剛体ごうたい静止せいしつづける条件じょうけん

慣性系かんせいけい剛体ごうたいはじめに静止せいしし、初期角速度しょきかくそくども 0 であるとする。この剛体ごうたい静止せいしつづけるための条件じょうけんは、外力がいりょく合力ごうりょくについて

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

かつ、任意にんい基準点きじゅんてんまわりの外力がいりょくのモーメントについて

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τ=0

である。

4.1証明しょうめい

合力ごうりょくについては、剛体ごうたい構成こうせいする質点しつてん運動方程式うんどうほうていしきわせると

Macm=Fext

となる。ここで acm重心じゅうしん加速度かそくどである。静止せいしつづけるなら acm=0 なので、F=0必要ひつようである。

回転かいてんについては、固定軸こていじくまわりの回転運動かいてんうんどうでは

τext=Iα

である。ここで外力がいりょくのモーメントのである。静止せいしつづけるなら α=0 なので、τ=0必要ひつようである。

ぎゃくに、F=0 かつ τ=0 なら、重心じゅうしん加速度かそくど角加速度かくかそくども 0 である。したがって初速度しょそくど初期角速度しょきかくそくどがどちらも 0 なら、その状態じょうたいたもつ。

5条件じょうけん 2:基準点きじゅんてんえてもよい条件じょうけん

F=0成立せいりつするとき、ある基準点きじゅんてん O まわりで τO=0 なら、任意にんい基準点きじゅんてん O まわりでも τO=0 である。

5.1証明しょうめい

O から O への位置いちベクトルを a とする。ちから FiO からの位置いちベクトルを ri とすると、O からは ri+aける。したがって

τO=(ri+a)×Fi=ri×Fi+a×Fi

である。Fi=0 なのでだい 2 こうは 0 であり、

τO=τO

となる。よって O で 0 なら O でも 0 である。

6帰結きけつ 3:作用線さようせん基準点きじゅんてんとおちからのモーメントは 0

ちから作用線さようせん基準点きじゅんてんとおるなら、そのちからのモーメントは 0 である。

6.1証明しょうめい

作用線さようせん基準点きじゅんてんとおるとは、位置いちベクトル rちから F平行へいこうであることを意味いみする。したがって

r×F=0

である。平面へいめんしき τ=Fdても、垂直距離すいちょくきょり d=0 なので τ=0 である。

7単位たんい確認かくにん

ちからのモーメントは

r[m;L]×F[N;MLT-2]=τ[Nm;ML2T-2]

である。これはエネルギーとおな次元じげんをもつが、意味いみちがう。エネルギーは仕事しごとりょうであり、モーメントは回転かいてんえる効果こうかである。

8具体例ぐたいれい水平すいへいぼう支点反力してんはんりょく

ながL質量しつりょう M一様いちようぼう左端ひだりはしささえられ、右端みぎはし質量しつりょう m物体ぶったいるされている。左端ひだりはしまわりにモーメントをると、左端ひだりはし支点反力してんはんりょく作用線さようせん基準点きじゅんてんとおるためえる。

MgL2+mgL

時計回とけいまわりのモーメントである。ほか反時計回はんとけいまわりのモーメントをちからがなければ静止せいしできない。したがって、かべ支柱しちゅうべつちからあたえる配置はいち必要ひつようである。実際じっさい問題もんだいでは、その未知力みちりょくふくめて τ=0てる。

9見分みわかた

  • 物体ぶったい質点しつてんとしてあつかえるなら、F=0 だけでよい。
  • ぼういた、はしご、とびらのようにながさがくなら、τ=0必要ひつようである。
  • 未知力みちりょくしたいなら、その作用線さようせんとおてん基準点きじゅんてんえらぶ。
  • ちから作用点さようてんではなく、作用線さようせんまでの垂直距離すいちょくきょりる。

10どこまで成立せいりつするか

ここでの剛体ごうたい変形へんけいしない理想化りそうかである。実物じつぶつはり材料ざいりょうでは、がりや破壊はかいかんがえる必要ひつようがある。また、静止せいししていない回転運動かいてんうんどうでは τ=Iα使つかい、τ=0 だけではない。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τ=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τ=r×F,τ=Fd

12一言ひとこと

剛体ごうたいのつりいでは、うごかないこととまわらないことを別々べつべつ確認かくにんする。

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