教科書(物理) 演習問題2:おもりをのせた板のつりあい

設問(1) 支持力の計算

直感的理解

板の上におもりが載っていると、おもりの位置によって各支持にかかる荷重が変わります。おもりが支持 D の真上にあれば D が全荷重を負担し、支持 C の方に移せば C の負担が増えます。スライダーでおもりの位置を動かし、支持力がどう変化するか観察してください。

板の長さ 0.30 m、支持 C は左端(A)から 0.040 m、支持 D は右端(B)から 0.040 m の位置にあります。おもり(20 N)が板の中央にあるとします。

D まわりのモーメントのつりあい:

$$N_C \times d_{CD} = W_{\text{板}} \times d_{\text{板}} + W_{\text{おもり}} \times d_{\text{おもり}}$$

C-D 間の距離は \(d_{CD} = 0.30 - 0.040 - 0.040 = 0.22\) m。板の重心(中央 0.15 m)の D からの距離は \(0.26 - 0.15 = 0.11\) m。おもりが中央にあるとき、D からの距離も 0.11 m。

$$ N_C \times 0.22 = 10 \times 0.11 + 20 \times 0.11 = 1.1 + 2.2 = 3.3 $$ $$ N_C = \frac{3.3}{0.22} = 15 \text{ N} $$

力のつりあいから:

$$N_D = W_{\text{板}} + W_{\text{おもり}} - N_C = 10 + 20 - 15 = 15 \text{ N}$$
答え (1)

おもりが中央のとき \(N_C = N_D = 15\) N(対称配置の場合は等分。教科書の具体的な配置に応じて数値は変わります)。

Point

2つの支持がある場合、一方の支持点まわりのモーメントを考えると、もう一方の支持力が直接求まります。

設問(2) ひっくり返る限界

直感的理解

おもりを右に移動させると、D側の支持力が増え、C側の支持力が減ります。C側の支持力がゼロになった瞬間、板はD点を支点にしてひっくり返ります。これが「ひっくり返る限界」です。上のシミュレーションでスライダーを右に動かして、N_C = 0 になる位置を見つけてみてください。

ひっくり返る限界は、支持 C の力 \(N_C = 0\) になるときです。このとき D点が唯一の支点になります。

D まわりのモーメントのつりあい(\(N_C = 0\) のとき):

板の重力のモーメント(反時計回り)= おもりの重力のモーメント(時計回り)として、おもりの D からの距離を \(x\) とすると:

$$ W_{\text{板}} \times d_{\text{板}} = W_{\text{おもり}} \times x $$ $$ 10 \times 0.11 = 20 \times x $$ $$ x = \frac{1.1}{20} = 0.055 \text{ m} = 5.5 \text{ cm} $$

おもりが D から 5.5 cm 以上右に出ると、おもりのモーメントが板の重力のモーメントを上回り、D を支点にひっくり返ります。

答え (2)

おもりが D から 5.5 cm を超えて右に移動すると、板は D を支点にひっくり返ります。

補足:一般化

2つの支持の間におもりがあるとき、支持力は必ず正(上向き)です。おもりが支持の外側に出ると、一方の支持力が負になろうとします。支持が「引っ張れない」(載せてあるだけの)場合、そこで板は回転してひっくり返ります。

Point

「支持力 = 0」は転倒の臨界条件です。載せてあるだけの支持(固定されていない支持)では、その支持力は 0 以上でなければならず、0 になった瞬間が限界です。