教科書(物理基礎) 問41:動摩擦力

解法

直感的理解
重さ \(W = 30\;\text{N}\) の物体があらい水平面(動摩擦係数 \(\mu' = 0.20\))上をすべっています。すべっている物体には動摩擦力 \(F' = \mu' N\) が運動と反対向きにはたらきます。水平面では垂直抗力 \(N = W\) なので、簡単に計算できます。

水平面上の物体では、垂直抗力 \(N\) は重さ \(W\) に等しいです:

$$ N = W = 30\;\text{N} $$

動摩擦力の公式を適用します:

$$ F' = \mu' N = 0.20 \times 30 = 6.0\;\text{N} $$

この動摩擦力は物体の運動方向と反対向きにはたらき、物体を減速させます。

もし最大静止摩擦係数が \(\mu = 0.30\) だとすると、最大静止摩擦力は:

$$ F_0 = \mu N = 0.30 \times 30 = 9.0\;\text{N} $$

動摩擦力 6.0 N は最大静止摩擦力 9.0 N より小さく、一般に \(F' < F_0\) が成り立ちます。

答え:動摩擦力は 6.0 N
補足:動摩擦力と最大静止摩擦力の関係

一般に動摩擦係数は静止摩擦係数より小さい(\(\mu' < \mu\))ため:

$$ F' = \mu' N < \mu N = F_0 $$

これは「一度動き出した物体は、同じ力で押し続ければ加速する」ことを意味します。重い家具を動かすとき、最初は大きな力が必要ですが、動き出すと少し楽になるのはこのためです。

Point

動摩擦力 \(F' = \mu' N\) は速さに依存しない一定値です。静止摩擦力のように 0 から最大値まで変動するのではなく、常に同じ値をとります。スライダーで \(\mu'\) を変えて動摩擦力の変化を確認しましょう。