教科書(物理) 問10:棒の重心と持ち上げる力

解法

直感的理解

B端を持ち上げるのにA端の2倍の力が必要ということは、重心がB端寄りにあることを示しています。重心がB端に近いほど、A端を支点にしたときの「重力のうで」が長くなり、大きな力が要るのです。実際、$d = 2.0$ m で棒の中央(1.5 m)よりB側に寄っています。

棒の重さを $W$〔N〕、A端から重心 G までの距離を $d$〔m〕とします。

場面① A端を地面につけ、B端を持ち上げる($F_B = 24$ N):

A端まわりのモーメントのつりあいより:

場面② B端を地面につけ、A端を持ち上げる($F_A = 12$ N):

B端まわりのモーメントのつりあいより:

連立方程式を解く:

①÷② より:

①に代入して:

答え
$$\boldsymbol{d = 2.0\,\textbf{m}(A端から重心までの距離)}$$ $$\boldsymbol{W = 36\,\textbf{N}(棒の重さ)}$$
別解:力のつりあいから解く

持ち上げる瞬間、地面からの抗力 $N$ と持ち上げる力 $F$ で棒の重力 $W$ を支えるので:

場面①:$N_A + F_B = W$ → $N_A + 24 = W$

場面②:$F_A + N_B = W$ → $12 + N_B = W$

ここで「持ち上げる瞬間」は地面からの抗力が 0 になる直前なので、$N_A = 0, N_B = 0$ とすると:

場面①:$F_B = W \times d/L = 24$、場面②:$F_A = W \times (L-d)/L = 12$

$F_B + F_A = W \times d/L + W \times (L-d)/L = W$ → $24 + 12 = 36 = W$

この方法でも $W = 36$ N がすぐに求まります。

$$ F = ma $$
Point

片端を支点にして持ち上げるとき、必要な力は $F = W \times \frac{\text{支点から重心までの距離}}{L}$ です。これは支点まわりのモーメントのつりあいから直接導けます。2つの端から持ち上げる力の和が棒の重さ $W$ に等しくなることも覚えておきましょう($F_A + F_B = W$)。