物理基礎 力学10 摩擦力

ふぃじっくす
やまと
やまと

どうも、やまとです。

粗い面上を物体が動くときには摩擦力がはたらきます。高校物理で扱う範囲では、大きく分けて2種類です。静止摩擦力と動摩擦力について考えていきましょう。

やまと
やまと

摩擦のある面のことを”粗い面”といいます。逆に摩擦のない面は”滑らかな面”です。水平方向の力Fを加えても物体が動かなかったとき、物体には静止摩擦力がはたらいています。このとき、力のつりあいの関係から、静止摩擦力は加えた力と同じ大きさで逆向きです

やまと
やまと

さらに加える力を大きくしていくと、ある限界を超えたところで動きだします。この限界ギリギリの状態を”静止極限”ということにしましょう。物理ではこのような静止極限を考えて、運動が変わる瞬間にどのようなことが起こっているかを見ていきます。このときの静止摩擦力を特に最大摩擦力と呼び、 静止摩擦係数と垂直抗力の積で求められる公式が与えられています。この式は実験式ですから、導くことはできませんので覚えておきましょう。もちろん動き出す瞬間の力と最大摩擦力はつりあっています。

やまと
やまと

最大摩擦力を超えて物体が動きだしたあとも、動摩擦力がはたらきます。動摩擦力は動摩擦係数と垂直抗力の積ですから、最大摩擦力と同じ形ですね。ですから使いどころには、逆に気を付けてください。間違えないようにね。

やまと
やまと

摩擦力についてグラフを描くと、上の図のようになります。まとめると、

物体が動かない間は静止摩擦力、動きだすギリギリの静止摩擦力が最大摩擦力、動いている間は動摩擦力

です。ちなみに、一旦動いてしまえば動きだす前よりも小さい力で動かすことができますから、静止摩擦係数>動摩擦係数の関係があります。それでは、摩擦力に関する例題をやってみましょう。

やまと
やまと

まずは、はたらいている力を正しく図に描きこみます。重力は斜面方向と垂直方向に分解しておきましょう。物体は静止していますから力はつりあいの関係にあります。さらに 問題文に”すべり始める”という文言があるので、斜面の角度がθ0のとき、摩擦力は最大摩擦力です。あとはつりあいの関係からtanの値がもとまります。静止摩擦係数に等しいですね。これを摩擦角といいます。

やまと
やまと

さらに傾けると物体は斜面をすべり下ります。斜面に平行な方向は運動していますから、立てるべき式は運動方程式です。このときの摩擦力は動摩擦力であることに注意して、斜面垂直方向の力のつりあいと合わせます。運動方程式に代入すれば、加速度を求めることができます。

かなり実践的な問題でしたね。摩擦力を含む運動方程式を立てるのはまだ難しいかもしれません。なんとなくでもいいので、まずは解答にどのような情報を書けばいいのかをじっくり見ておいてください。次回は運動方程式を立てる手順について説明します。運動方程式を立てられるようになれば、力学はかなり得点につながります!

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

コメント

タイトルとURLをコピーしました