教科書(物理基礎) 問48

解法

直感的理解
仕事の正負は「力の向き」と「移動の向き」の関係で決まります。同じ向きなら正、逆向きなら負、垂直なら 0。荷物を水平に運ぶとき重力は仕事をしません(垂直だから)。

水平面上で物体を水平方向に距離 \(x\) だけ動かすとき、各力がする仕事を考えます。

力 \(F\) が移動方向と角度 \(\theta\) をなすとき、

$$W = Fx\cos\theta$$

引く力 \(F\)(\(\theta = 0°\)):\(\cos 0° = 1\) → \(W_F = Fx > 0\)(正の仕事)

$$W_F = Fx\cos 0° = Fx$$

垂直抗力 \(N\)・重力 \(mg\)(\(\theta = 90°\)):\(\cos 90° = 0\) → 仕事なし

$$W_N = N \cdot x \cdot \cos 90° = 0$$

数値計算:90 × 180 = 16200 J

答え:

力の向きと移動方向が一致 → 正の仕事、逆向き → 負の仕事、垂直 → 仕事 = 0

引く力は正の仕事 \(W_F = Fx\)。垂直抗力・重力は仕事をしない(\(W = 0\))。

補足:動摩擦力がはたらく場合

あらい面上で物体が動くと、動摩擦力 \(f'\) が移動と逆向きにはたらきます。\(\theta = 180°\) なので、

$$W_{f'} = f' \cdot x \cdot \cos 180° = -f'x$$

動摩擦力の仕事は常に負です。これは運動エネルギーが熱に変わることに対応しています。

数値計算:90 × 180 = 16200 J

Point

仕事の正負の判定は \(\cos\theta\) の符号で決まります。\(0° \le \theta < 90°\) なら正、\(\theta = 90°\) なら 0、\(90° < \theta \le 180°\) なら負の仕事です。