教科書(物理基礎) 例題15:動摩擦力

解法

直感的理解
傾き 30° のあらい斜面上を物体がすべり下りる問題です。斜面下向きには重力成分 \(mg\sin\theta\) が加速させ、斜面上向きには動摩擦力 \(\mu' mg\cos\theta\) が減速させます。両者の差が正味の加速力です。動摩擦係数 \(\mu' = \dfrac{1}{2\sqrt{3}}\) が与えられています。

物体の質量を \(m\)、重力加速度を \(g = 9.8\;\text{m/s}^2\) とします。斜面に垂直な方向のつりあいから垂直抗力を求めます:

$$ N = mg\cos 30° $$

斜面方向の運動方程式(斜面下向きを正):

$$ ma = mg\sin 30° - \mu' N = mg\sin 30° - \mu' mg\cos 30° $$

両辺を \(m\) で割ります:

$$ a = g(\sin 30° - \mu'\cos 30°) $$

動摩擦係数 \(\mu' = \dfrac{1}{2\sqrt{3}}\) を代入します:

$$ a = 9.8\left(\frac{1}{2} - \frac{1}{2\sqrt{3}} \times \frac{\sqrt{3}}{2}\right) = 9.8\left(\frac{1}{2} - \frac{1}{4}\right) = 9.8 \times \frac{1}{4} = 2.45 \fallingdotseq 2.5\;\text{m/s}^2 $$
答え:\(a \fallingdotseq 2.5\;\text{m/s}^2\)(斜面下向き)
別解:なめらかな斜面との比較

なめらかな斜面(\(\mu' = 0\))の場合の加速度は:

$$ a_0 = g\sin 30° = 9.8 \times 0.50 = 4.9\;\text{m/s}^2 $$

動摩擦力による減速分は:

$$ \Delta a = \mu' g\cos 30° = \frac{1}{2\sqrt{3}} \times 9.8 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{9.8}{4} = 2.45\;\text{m/s}^2 $$

したがって:

$$ a = a_0 - \Delta a = 4.9 - 2.45 = 2.45 \fallingdotseq 2.5\;\text{m/s}^2 $$

摩擦により加速度がちょうど半分になっています。シミュレーションで角度を変えて、摩擦の影響がどう変わるか確認しましょう。

数値計算:計算すると 9.8 を得る。

数値計算:計算すると 9.8 を得る。

Point

あらい斜面の加速度 \(a = g(\sin\theta - \mu'\cos\theta)\) は質量 \(m\) に依存しません。\(\sin\theta = \mu'\cos\theta\)(すなわち \(\tan\theta = \mu'\))のとき加速度 0 で等速直線運動になります。角度スライダーで確認しましょう。