編末問題70 動滑車を含む力のつりあい

動滑車のつりあい

直感的理解
動滑車は「2本の糸で荷物を支える」装置です。1本の糸がU字形に動滑車を支えるので、糸の張力 $T$ が2箇所で上向きにはたらきます。したがって、おもりの重力 $W$ を2本分の $T$ で支えることになり、引く力は $T = W/2$ で済みます。力が半分になる代わりに、引く距離は2倍になります(仕事の原理)。

動滑車にはたらく力のつりあい:

動滑車(+おもり)にはたらく上向きの力は、糸の張力が2本分で $2T$。下向きの力は重力 $W = mg$。

定滑車は力の向きを変えるだけなので、人が引く力も $T$ です。

答え:

動滑車にかかる糸の張力(=人が引く力):

$$T = \frac{mg}{2}$$
補足:動滑車と仕事の原理

動滑車を使うと引く力は半分になりますが、おもりを高さ $h$ だけ持ち上げるためには糸を $2h$ だけ引く必要があります。

仕事の原理

$$W_{\text{人}} = T \times 2h = \frac{mg}{2} \times 2h = mgh = W_{\text{重力}}$$

つまり、力は半分になっても仕事は同じ。これがエネルギー保存則の一例です。

補足:複数の動滑車を組み合わせた場合

動滑車を $n$ 個直列に組み合わせると、引く力は $W / 2^n$ になります。ただし引く距離は $2^n$ 倍になります。実際のクレーンやエレベーターでは複数の滑車を組み合わせた「滑車装置」が使われています。

数値計算:質量 \(m = 2.0\) kg、加速度 \(a = 3.0\) m/s² のとき:

$$F = ma = 2.0 \times 3.0 = 6.0 \text{ N}$$ $$W = mg = 2.0 \times 9.8 = 19.6 \text{ N}$$
Point

動滑車:2本の糸で支える → 張力 $T = W/2$(力は半分)。ただし引く距離は2倍。定滑車:力の向きを変えるだけで大きさは変わらない。