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:
$$ mg\sin\theta = M_1 g + \mu mg\cos\theta $$ $$ M_1 g = mg\sin\theta - \mu mg\cos\theta = mg(\sin\theta - \mu\cos\theta) $$ $$ M_1 = m(\sin\theta - \mu\cos\theta) $$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:
$$ M_2 g = mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta = mg(\sin\theta + \mu\cos\theta) $$ $$ M_2 = m(\sin\theta + \mu\cos\theta) $$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。
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:
$$ (m + M_3)\,a = M_3 g - mg\sin\theta - \mu'mg\cos\theta $$ $$ a = \frac{(M_3 - m\sin\theta - \mu'm\cos\theta)\,g}{M_3 + m} $$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。
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。