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:
$$ 3M \cdot a = F $$ $$ a = \frac{F}{3M} $$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。
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:
$$ f = M \cdot \frac{F}{3M} = \frac{F}{3} $$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。
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。
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。
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。
質量 \(m = 3.0\) kg の物体に \(F = 12\) N の力を加えると:
$$a = \frac{F}{m} = \frac{12}{3.0} = 4.0 \text{ m/s}^2$$ $$t = 2.0 \text{ s 後: } v = at = 4.0 \times 2.0 = 8.0 \text{ m/s}$$ $$x = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2} \times 4.0 \times 4.0 = 8.0 \text{ m}$$