物理学

「浮力」と「摩擦力」の本質を理系学生ライターが5分で解説!

静止摩擦力

静止摩擦力

image by Study-Z編集部

物体が静止いているときに受ける摩擦力を静止摩擦力といいます。静止しているとは、速度が0であるということです。

それでは、図のように床に置いてある段ボール箱を横から押しているが、動かないという状況を例にとって考えてみましょう。このとき、人は段ボール箱に力をかけていますが、段ボール箱は少しも動いていません。これは、力がはたいているとき、物体は加速するというニュートンの法則に反しています。このことから、人が段ボール箱を押す力を、打ち消す力がはたらいているということがわかりますね。実は、その打ち消す力が静止摩擦力なのです。したがって、(静止摩擦力の大きさ)=(人が段ボール箱を押す力の大きさ)となります。また、静止摩擦力は人が段ボール箱を押す向きとは逆方向です。

さらに、段ボール箱を強く押した場合は、どのようになるでしょうか?押す力の大きさが一定の値を超えると、段ボール箱は動き出すことでしょう。ちょうど、段ボール箱が動き出す瞬間の静止摩擦力を、最大静止摩擦力と呼びます。また、最大静止摩擦力は、段ボール箱が床から受ける垂直抗力Nに比例するのです。ゆえに、(最大静止摩擦力)=μ×Nと表わせますね。このときの比例定数μを静止摩擦係数と呼んでいます。

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静止しているときにはたらく摩擦力を静止摩擦力というぞ。意味もしっかり理解してくれ。

動摩擦力

動摩擦力

image by Study-Z編集部

次に、物体が動いているときに受ける摩擦力について考えましょう。このような摩擦力を動摩擦力といいます。

今回も、段ボール箱の運動を例にしましょう。段ボール箱を勢いよく押し出して、床の上を滑らせるという状態を考えます。このとき、段ボール箱は徐々に速さが小さくなって、やがて静止しますよね。ところが、これは力がはたらいていない物体は、等速直線運動するというニュートンの法則に反するのです。このことから、段ボール箱を減速させるような力がはたらいていることがわかります。そして、その力が動摩擦力なのです。また、動摩擦力の大きさは段ボール箱がどのような速度で運動している場合も、同じ値をとります動摩擦力の向きは段ボール箱の進行方向と逆向きです。

先ほど同様に、動摩擦力の大きさを数式で表してみましょう。段ボール箱が床から受ける垂直抗力をNとすると、(動摩擦力)=μ’×Nと表わせます.。つまり、動摩擦力の大きさは、垂直抗力の大きさに比例しているのですね。そして、比例定数μ’を動摩擦係数といいます。

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動摩擦力は、物体の速度がどのような値であっても、一定の値をとる。勘違いしやすい部分だぞ。気を付けてくれ。

「浮力」と「摩擦力」の本質を理解しよう

「浮力」と「摩擦力」は、力学の基礎を勉強をする上で、理解しなければならない内容の1つです。学校の定期テストや入試でも頻出分野になっています。ところが、教科書や参考書などには公式は大きな字で載っているが、詳細については説明が少ないということが少なくないのです。そのような理由から、丸暗記で済ませてしまう方もいらっしゃるかもしれません。

この記事は、教科書や参考書ではわかりくい部分や説明が不十分であるところを、できるだけコンパクトにまとめることを意識して作成しました。ぜひとも、この記事を読んでいただき、「浮力」と「摩擦力」の本質的な部分を学んでみてください。

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