応用問題88 動く板の上での物体の運動

設問(1) 一体で動くときの加速度

直感的理解
A+Bが一体で動くとき、全体の質量に外力 $F$ が作用します。床はなめらかなので、$F = (2M + M) \times a$ で加速度が求まります。

立式:A+B全体を一つの物体として、水平方向の運動方程式を立てます。全体の質量は $2M + M = 3M$、外力は $F$ のみです:

$$ (2M + M)\,a = F $$

加速度を求める:

$$ 3M \cdot a = F $$ $$ a = \frac{F}{3M} $$
答え:
$$a = \frac{F}{3M}$$
Point

一体で動く2物体は、全体を1つの物体として運動方程式を立てられる。

設問(2) BがAから受ける摩擦力

直感的理解
Bにはたらく水平方向の力はAからの摩擦力だけです。この摩擦力がBを加速させます。摩擦力 = Bの質量 $\times$ 加速度。

立式:Bの水平方向の運動方程式を立てます。Bにはたらく水平力は摩擦力 $f$ のみです:

$$ M \cdot a = f $$

計算:設問(1)で求めた $a = \dfrac{F}{3M}$ を代入します:

$$ f = M \cdot \frac{F}{3M} = \frac{F}{3} $$
答え:
$$f = \frac{F}{3}$$
Point

接触力(摩擦力)を求めるには、その力を受ける物体の運動方程式を立てる。

設問(3) Bがすべりだす条件と $F_0$

直感的理解
Bを加速させるために必要な摩擦力は $F/3$ です。$F$ を大きくすると必要な摩擦力も大きくなり、最大静止摩擦力 $\mu Mg$ を超えるとBはすべり出します。すべりだす直前の $F$ が $F_0$ です。

すべりだす条件:Bを加速させるために必要な摩擦力は $\dfrac{F}{3}$ です。Bにはたらく垂直抗力は $N_B = Mg$ なので、最大静止摩擦力は:

$$ f_{\max} = \mu N_B = \mu Mg $$

すべりだす条件は「必要な摩擦力 $>$ 最大静止摩擦力」:

$$ \frac{F}{3} > \mu Mg $$

すべりだす直前:$\dfrac{F_0}{3} = \mu Mg$ を $F_0$ について解きます:

$$ F_0 = 3\mu Mg $$

$F > F_0 = 3\mu Mg$ のとき、BはAの上ですべりだします。

答え:
$$F_0 = 3\mu Mg$$
補足:力の見落とし防止チェックリスト

力を列挙する際は、①重力 ②垂直抗力 ③張力 ④摩擦力 ⑤弾性力 の順に確認し、接触力と遠隔力を分けて図示すると見落としを防げます。

Point

すべりだす条件:「一体で動くために必要な摩擦力」が「最大静止摩擦力」を超えること。この判定は個別の運動方程式を使う。

🧮 数値計算で確認

質量 \(m = 3.0\) kg の物体に \(F = 12\) N の力を加えると:

$$a = \frac{F}{m} = \frac{12}{3.0} = 4.0 \text{ m/s}^2$$ $$t = 2.0 \text{ s 後: } v = at = 4.0 \times 2.0 = 8.0 \text{ m/s}$$ $$x = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2} \times 4.0 \times 4.0 = 8.0 \text{ m}$$