スライダーで斜面の傾きを変えてみてください。重力の赤い矢印(鉛直下向き)が底面の端より外側に出ると、物体を回転させるモーメントが生まれて転倒します。底面が広い($a$ が大きい)ほど、また高さが低い($h$ が小さい)ほど、倒れにくくなります。
一様な直方体の重心 G は中心にあります。斜面を傾けていくと、重力の鉛直作用線の位置が変わります。
転倒の条件:重力の作用線(G を通る鉛直線)が、底面の斜面下側の端 A を超えて外側に出ると、重力のモーメントが物体を倒す方向にはたらきます。
臨界状態(倒れ始める瞬間)では、重力の作用線がちょうど点 A を通ります。このとき:
重心 G から底面までの高さが $h/2$、底面中心から端 A までの水平距離が $a/2$ なので、幾何学的に:
したがって:
背の高い家具(本棚やタンス)が地震で倒れやすいのも同じ原理です。底面が狭く重心が高いため、わずかな傾きで重力の作用線が底面の外に出てしまいます。転倒防止には、底面を広げるか重心を下げることが有効です。
転倒条件 $\tan\theta = a/h$ から、倒れやすさは $a/h$ の比で決まります:
つまり、重心の位置が高いほど(底面が狭いほど)倒れやすくなります。
数値例:質量 2.0 kg の物体に 10 N の力を加えると、加速度は \(a = F/m = 10/2.0 = 5.0\) m/s² です。\(3.0\) s 後の速度は \(v = at = 5.0 \times 3.0 = 15\) m/s となります。
関連する基本公式:
$$ F = ma $$ $$ v = v_0 + at $$底面の幅 $a$ が小さく、高さ $h$ が大きい(重心が高い)方が倒れやすい。
理由:$\tan\theta_c = a/h$ なので、$a/h$ が小さいほど臨界角 $\theta_c$ が小さく、小さな傾きで倒れ始める。
斜面上の物体は「倒れる」前に「滑る」可能性もあります。
$\mu < a/h$ なら先に滑り、$\mu > a/h$ なら先に倒れます。つまり摩擦が大きい面では、滑らない代わりに倒れやすくなります。
転倒条件は「重力の作用線が底面の外に出るかどうか」で判定します。$\tan\theta = a/h$ という転倒の式と、$\tan\theta = \mu$ という滑り出しの式を比較して、どちらが先に起こるか($\mu$ と $a/h$ の大小関係)を判断する問題が頻出です。