例題15 力のつりあい

張力 $T_\mathrm{A}$, $T_\mathrm{B}$ を求める

直感的理解
おもりが静止しているので、3つの力(2本の糸の張力と重力)がつりあっています。「つりあい」とは合力がゼロ、つまり水平・鉛直の各方向で力の和がゼロになることです。角度が大きい糸(鉛直から離れている糸)ほど、おもりを支える効率が悪いため張力が小さくなります。

設定:点 C にはたらく力は、張力 $T_\mathrm{A}$(糸 AC)、張力 $T_\mathrm{B}$(糸 BC)、重力 $mg$ の3つです。

方法1:直角三角形の辺の比を利用

$T_\mathrm{A}$ と $T_\mathrm{B}$ の合力は、$mg$ と同じ大きさで逆向き(鉛直上向き)になります。図で三角形の辺の比を読み取ると:

答え:
$$T_\mathrm{A} = \frac{1}{2}mg \text{ [N]}, \quad T_\mathrm{B} = \frac{\sqrt{3}}{2}mg \text{ [N]}$$
別解:水平・鉛直方向の力のつりあいの式

$T_\mathrm{A}$, $T_\mathrm{B}$ を水平・鉛直方向に分解して、つりあいの式を立てます。

水平方向(右を正):

$$T_\mathrm{B} \sin 30° - T_\mathrm{A} \sin 60° = 0$$ $$T_\mathrm{B} \times \frac{1}{2} = T_\mathrm{A} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$$ $$\therefore \quad T_\mathrm{B} = \sqrt{3}\,T_\mathrm{A} \quad \cdots (1)$$

鉛直方向(上を正):

$$T_\mathrm{A} \cos 60° + T_\mathrm{B} \cos 30° - mg = 0$$ $$T_\mathrm{A} \times \frac{1}{2} + T_\mathrm{B} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = mg \quad \cdots (2)$$

(1)を(2)に代入:

$$T_\mathrm{A} \times \frac{1}{2} + \sqrt{3}\,T_\mathrm{A} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = mg$$ $$T_\mathrm{A} \times \frac{1}{2} + T_\mathrm{A} \times \frac{3}{2} = mg$$ $$2\,T_\mathrm{A} = mg$$ $$T_\mathrm{A} = \frac{1}{2}mg \text{ [N]}$$

(1)より:

$$T_\mathrm{B} = \sqrt{3} \times \frac{1}{2}mg = \frac{\sqrt{3}}{2}mg \text{ [N]}$$

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

3力のつりあい:静止物体にはたらく3力について、水平方向と鉛直方向の力の和がそれぞれゼロ。張力を成分に分解して連立方程式を解く。角度が 30°, 60° のときは $1:\sqrt{3}:2$ の比を活用する。