力学で習う力の種類とは？全てまとめてみた【高校物理】 │ 受験メモ

あなたは力学で登場する「力」を、
きちんと理解していますか？

「力」学と言うくらいですから、
力について理解しておくことは、
問題を解く上でも必要不可欠です。

と言うことで今回は、
高校力学で習う力をすべてまとめました。

この記事を読むことで、
力学で理解すべき力を網羅的に確認でき、
力学の全体像がインプットされるでしょう。

問題演習をするときにも、
かなり見通しがよくなるはずです。

ぜひ最後まで読み飛ばさずに読んでみてください。

1 高校力学で習う力の種類とは？
2 力の種類
3 力がわかれば問題が解ける！
4 まとめ

高校力学で習う力の種類とは？

以前の記事で、
力の図示の方法について学びました。

しかし一口に「力」と言っても、
高校力学ではいろいろな力を習います。

ということで今回は、
力学の問題を解くために必要な力を、
まとめて確認していきましょう。

結論から言ってしまえば、
力学で理解しておくべき力は以下の通り。

力学で習う力
　　①重力
　　②束縛力（垂直抗力、張力）
　　③摩擦力
　　④浮力
　　⑤弾性力

「ひえー、多いよー」なんて思わないで！
逆に考えれば「力」学と言っても、
理解する力はたったこれだけです。

これらを理解してしまって、
力の図示の方法と合わせれば、
どんな問題でも力を図示しきれます。

さらに運動方程式を用いれば、
力を加速度に変換することができます。

そして加速度の取り扱いができれば、
物体の運動が理解できます。

１つ１つの力を丁寧に説明するので、
順番に理解していってください。

力の種類

力学で習う力
　　①重力
　　②束縛力（垂直抗力、張力）
　　③摩擦力
　　④浮力
　　⑤弾性力

基本的な問題を解くだけであれば、
以上の力を覚えてさえおけば、
あまり苦労はないでしょう。

まだ力学に慣れていない場合は、
各力が発生する条件を押さえておき、
早速問題を解いてみましょう。

そしてこの記事では、
各力の原因などに注目しながら、
詳しい解説をしていきます。

ある程度学習が進んでいる人は、
深く理解できているか、確認していってください。

①重力

「重力」とは地表の物体が受ける力のことで、
質量\(m\)の物体は鉛直下向きに大きさ\(mg\)の重力を受けます。

このときの定数\(g\)を「重力加速度」といい、
単位質量あたりの重力の大きさを表します。

単純な話、
1kgの物体にはg[N]の重力が、
10kgの物体には10g[N]の重力がかかるということです。

重力は地球と物体の間の万有引力に起因します。

具体的には、地球の質量を\(M\)、
地球の半径を\(R\)、物体の質量を\(m\)とすると、

\begin{align*}
重力 &= G\frac{mM}{R^{2}} \\
&= mg　(g=\frac{GM}{R^{2}}は定数)
\end{align*}

となります。

地表では\(M\)と\(R\)が一定になるため、
万有引力が物体の質量\(m\)に比例し、
それを重力と呼んでいるということですね。

より正確には他の天体からの万有引力、地球の自転による慣性力など、全ての影響を引っくるめて重力と呼んでいます。

②束縛力（垂直抗力、張力）

「束縛力」とは、
物体が運動する軌道を制限するために
働く力のことです。

言葉では理解しづらいですね。
図で考えてみましょう。

物体には重力で下に落ちるはずが、
地面にめり込んでいくことはありません。

これは坂道でも一緒です。

また、紐で吊るされたときも、
重力で下に落ちずに止まっています。

ということは、
これらは重力に逆らう力が働いていないとおかしいですね。

物体の接触面の間で働き、
運動を束縛する力を「垂直抗力」といいます。

リンゴが机にめり込まないのは、
机がリンゴを押しているからということです。

また物体を紐が引っ張るときに、
紐な内部で働く力を「張力」といいます。

束縛力としては垂直抗力と張力を覚えておけば十分でしょう。

「垂直抗力」はその名の通り、接触面に垂直な方向の力です。坂道が物体に垂直抗力を与える場合、地面に垂直ではなく、坂道に垂直に働くことに注意しましょう。

③摩擦力

「摩擦力」とは、
地面と物体が接触しているときに、
物体の動きに逆らうように働く力です。

静止している物体に力を加えていっても、
「静止摩擦力」が逆向きに働くため、
しばらくは動き出しません。

力を強くしていき、
「最大摩擦力」より力が大きくなると、
物体は動き出します。

そして物体が動いている間は、
「動摩擦力」と言う一定の力が働きます。

物体が止まっている間は、
加える力に対応した静止摩擦力がかかりますが、
動いている間は常に一定です。

次に摩擦力の大きさについて。

物体を地面に押し付けるほど、
摩擦が大きくなるイメージってありますよね。

このイメージ通り、
最大摩擦力と動摩擦力は垂直抗力に比例します。

摩擦力の大きさ
　最大摩擦力　\(F = \mu_{0}N \)
　　（\(\mu_{0}\)は静止摩擦係数）
　静止摩擦力　\(F < \mu_{0}N \)
　動摩擦力　　\(F < \mu N\)
　　（\(\mu\)は動摩擦係数）
　※一般に\(\mu\)<\(\mu_{0}\)

これらの大きさの関係を日本語で説明してみます。

力\(F\)を増やしていくと、
しばらくは静止摩擦力が働き動きませんが、
\(F=\mu_{0}N\)を超えると動き出す。

動摩擦力\(\mu N\)最大摩擦力より小さいため、
一旦動き出すと力が軽くなる。

このようなイメージです。

より正確に理解するためには、
具体的な問題に取り組んでみるのが早いでしょう。