応用問題90 あらい斜面上のつりあいと運動

設問(1) Aが斜面下方にすべりだす条件($M_1$)

直感的理解
Aが斜面下方にすべろうとするとき、摩擦力は斜面上向き(すべりを妨げる向き)にはたらきます。Bの重力(= 張力)と摩擦力が協力してAを支えます。$M$ が小さすぎると支えきれずにAが下方にすべります。

設定:Aがすべりだす直前(下方向)。摩擦力は斜面上向き(すべりを妨げる方向)。

Aの斜面に垂直な方向のつりあい:

$$ N = mg\cos\theta $$

Aの斜面方向のつりあい(下向き正):重力の斜面成分(下向き)$= $ 張力 $+$ 最大静止摩擦力(上向き)

$$ mg\sin\theta = T + \mu N = T + \mu mg\cos\theta $$

Bのつりあい:Bは静止しているので:

$$ T = M_1 g $$

計算:$T = M_1 g$ を代入して $M_1$ を求めます:

$$ mg\sin\theta = M_1 g + \mu mg\cos\theta $$ $$ M_1 g = mg\sin\theta - \mu mg\cos\theta = mg(\sin\theta - \mu\cos\theta) $$ $$ M_1 = m(\sin\theta - \mu\cos\theta) $$
答え:
$$M_1 = m(\sin\theta - \mu\cos\theta)$$
Point

すべりだす方向で摩擦力の向きが変わる。下方にすべりだすとき、摩擦は上向き。

設問(2) Aが斜面上方にすべりだす条件($M_2$)

直感的理解
今度はAが上方にすべろうとするので、摩擦力は斜面下向きにはたらきます。重力の斜面成分と摩擦力がともにAを引き下げようとし、張力がそれに打ち勝つ必要があります。

設定:Aがすべりだす直前(上方向)。摩擦力は斜面下向き(上方へのすべりを妨げる)。

Aの斜面方向のつりあい(上向き正):張力(上向き)$= $ 重力の斜面成分(下向き)$+$ 最大静止摩擦力(下向き)

$$ T = mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta $$

Bのつりあい:$T = M_2 g$ を代入:

$$ M_2 g = mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta = mg(\sin\theta + \mu\cos\theta) $$ $$ M_2 = m(\sin\theta + \mu\cos\theta) $$
答え:
$$M_2 = m(\sin\theta + \mu\cos\theta)$$
Point

摩擦がある面では、静止する $M$ の範囲が $M_1 \leq M \leq M_2$ と広がる。摩擦がなければ $M = m\sin\theta$ の1点でしか静止しない。

設問(3) 質量 $M_3$ の物体Cが一定速度で降下するときのCの加速度

直感的理解
$M_3 > M_2$ なのでCは下降、Aは斜面を上昇します。すべっているので動摩擦力 $\mu'mg\cos\theta$ がAの運動を妨げる方向(斜面下向き)にはたらきます。

立式:Cが下降、Aが斜面上方に移動する。加速度を $a$、糸の張力を $T$ とします。

Aの運動方程式(斜面上向き正):Aには張力 $T$(上向き)、重力の斜面成分 $mg\sin\theta$(下向き)、動摩擦力 $\mu'mg\cos\theta$(下向き)がはたらきます:

$$ ma = T - mg\sin\theta - \mu'mg\cos\theta \quad \cdots (1) $$

Cの運動方程式(下向き正):Cには重力 $M_3 g$(下向き)と張力 $T$(上向き)がはたらきます:

$$ M_3 a = M_3 g - T \quad \cdots (2) $$

計算:(1) + (2) で $T$ を消去します:

$$ (m + M_3)\,a = M_3 g - mg\sin\theta - \mu'mg\cos\theta $$ $$ a = \frac{(M_3 - m\sin\theta - \mu'm\cos\theta)\,g}{M_3 + m} $$
答え:
$$a = \frac{(M_3 - m\sin\theta - \mu'm\cos\theta)\,g}{M_3 + m}$$
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

斜面上の摩擦がある2物体の問題:(1) 運動の向きを判定、(2) 摩擦力の向きを決定(運動を妨げる向き)、(3) 各物体の運動方程式を立てて連立。