東大生のわかりやすい物理学講座:張力とは糸が張っているときに働く力

東大生のわかりやすい物理学講座:張力とは糸が張っているときに働く力

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今回は、物理でたびたび登場する張力について解説します!

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糸が張っているときに働く力

張力は、糸が張っている時に働く力です。

また、高校物理の範囲では、糸の質量は0とされます。

垂れている糸は、問題を解く上で無視して大丈夫です。

がたるんでる問題の意図は相手にしなくていいです。

な~んてダジャレ(笑)

これでテストのときにも忘れないでしょう!

張力は力をそのまま伝達する

張力は、力をそのまま伝達します。

滑車の問題で多いですね。

下の図の滑車を見てください。

物体は静止しており、糸を手で引っ張っているとします。

物体は、滑車を介してつるしてある状態です。

張力は、図の赤矢印のように生じています。

また、手で物体を支える力を、糸を通してそのまま伝達しています。

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物体を糸で引くときの力は手で糸を引く力じゃない!?

糸のついた物体を手で引くとき、何が物体を引っ張っていると思いますか?

手で引っ張ってる?

不正解!

違います。

運動方程式を立てるときに重要なのですが、物体の運動を考えるうえで考慮する力は、直接的に働いている力です。

手で引く力は、直接物体には作用していません。

手は糸を引いているだけです。

物体は、糸の張力で引っ張られています。

先ほどの問題も、物体の静止を考えるうえで考慮すべき力は、物体に働く力重力と、物体に直接作用している張力のみです。

手の力は考慮しません。

ここ、運動方程式で物理を嫌いになり、挫折する方のウィークポイントです。

もう一度書きます。

運動方程式を立てるときに、物体の運動を考えるうえで考慮する力は、直接的に働いている力です。

遠隔的に働く力は、重力(=万有引力)、電磁力ぐらいです。

手が糸を引っ張り、糸が物体を引っ張ることで、結果的に手を引く力が物体を引っ張っています。

もしも手の力が直接作用していたとすると?

物体に働く力は次のようになります。

この図、そもそもおかしいと思いませんか?

物体には、張力に加えて手で引っ張る力が加わります。

これでは、手からはFしか加えていないのに、物体にはF+Tの力が加わります。

手で直接物体を引っ張るより、糸を介して引っ張ったほうが軽いなんて、現実的にあり得ませんよね。

この例において、物体の動作を考えるうえで考慮すべき力は、直接作用している張力のみというのが、どういう意味であるか分かっていただけたと思います。

張力のまとめ

ここまで、物理学における張力について解説してきました。

張力そのものは直感的に分かりやすいですが、糸のついた物体を引っ張る例は理解しにくかったのではないでしょうか?

これは、物理の最初の関門です。

この糸のついた物体を引っ張る例を完全に理解すれば、物体に働く力を完全に把握できるので、あとは運動方程式に代入し、数学的に微分方程式を解くことで力学分野は完結します。

頑張って理解してくださいね!

以上、物理学の張力について、参考になれば幸いです。

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