教科書(物理基礎) 例題7:力のつりあい①

解法

直感的理解
重さ \(W = 10\;\text{N}\) の小球を2本の糸でつるします。糸1は天井面と \(30^\circ\) の角度をなし、糸2は水平方向に壁へつながっています。小球が静止しているので、3つの力(重力 \(W\)、張力 \(T_1\)、張力 \(T_2\))がつりあいます。糸1の張力を鉛直・水平に分解し、各方向で力の和=0 の式を立てて解きます。

糸1は天井面(水平)と角度 \(\theta = 30^\circ\) をなしています。糸1の張力 \(T_1\) を鉛直成分と水平成分に分解します。

解法

Step 1:力の整理

Step 2:鉛直方向のつりあい(上向き正)

$$ T_1 \sin 30^\circ - W = 0 $$ $$ T_1 \times \frac{1}{2} = 10 $$ $$ \therefore \quad T_1 = \frac{10}{0.5} = 20\;\text{N} $$

Step 3:水平方向のつりあい(右向き正)

$$ T_2 - T_1 \cos 30^\circ = 0 $$ $$ T_2 = 20 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 10\sqrt{3} $$ $$ \therefore \quad T_2 = 10 \times 1.732 \fallingdotseq 17.3\;\text{N} $$
答え:\(T_1 = 20\;\text{N}\)、\(T_2 = 10\sqrt{3} \fallingdotseq 17\;\text{N}\)
💡 別解:力の三角形(辺の比)を使う方法

3力がつりあうとき、力のベクトルを順に並べると閉じた三角形になります。

糸1の角度が水平から \(30^\circ\) なので、力の三角形は 30°-60°-90° の直角三角形になります。辺の比は:

$$ 1 : 2 : \sqrt{3} $$

最も短い辺(\(30^\circ\) の対辺)が重力 \(W = 10\;\text{N}\) に対応するので:

$$ W : T_1 : T_2 = 1 : 2 : \sqrt{3} $$ $$ T_1 = 10 \times 2 = 20\;\text{N}, \quad T_2 = 10\sqrt{3} \fallingdotseq 17.3\;\text{N} $$
🔍 角度の取り方に注意!

「天井と \(30^\circ\)」= 水平面と糸のなす角が \(30^\circ\) です。鉛直方向から測ると \(90^\circ - 30^\circ = 60^\circ\) になります。

角度を水平から測る場合:鉛直成分 = \(T_1 \sin\theta\)、水平成分 = \(T_1 \cos\theta\)

角度を鉛直から測る場合:鉛直成分 = \(T_1 \cos\theta\)、水平成分 = \(T_1 \sin\theta\)

スライダーで角度を変えて、\(\sin\) と \(\cos\) の役割が入れ替わらないことを確認してみましょう。

数値計算:計算すると 0 を得る。

数値計算:計算すると 0 を得る。

Point

力のつりあいでは 水平方向の和 = 0鉛直方向の和 = 0 の2式を立てます。角度の基準(水平から or 鉛直から)に注意し、\(\sin\) と \(\cos\) を間違えないようにしましょう。