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物理の力学における適切な力の描図

物理の力学における適切な力の描図

京都医塾物理科の馬渕です。

入試物理においてどの大学でも出題されるのが力学であり、力学において得点を重ねるためにまず何よりも重要なことが「力を正しく描き込むこと」です。

極端な話、医学部入試のような高難易度の入試となると、いまいちどのような現象が起きているのかイメージできないということもありえます。しかし、そんなときでも働いている力とその性質から問題を解き進めていくことは可能なのです。読者の皆さんは、どのような考え方をもとに物体に働く力を決めているでしょうか?

適切な力の描図

「○○力を忘れていた!」、「余計な力を描いてしまっていた…」といった経験はないでしょうか?今回は、「過不足なく正しく力を描図する」ことをテーマとします。では、下図の例を見てみましょう。

 物理を感覚でなんとなくやっている人や、理屈を分かっていない習い始めたばかりの人は、よく次のような間違いをしてしまいます。

この場合、図 1 の放物運動する物体については、「飛んでいく向きに力が働くはず」という思い込みをしています。また、図 2 の A に働く力については、B から受ける力が抜けています。

では、どうすればこのようなミスを防ぐことができるのでしょうか?

まず、働く力の種類について、力学では(慣性力を除けば)以下の 2 種類に区分できます。

① 重力

② 触れているものから受ける力

① の重力については、ほぼ全ての状況で考慮するので、いの一番に描く習慣をつけましょう。

② の力については、まず着目物体が他に触れているものを探します。物体の輪郭をなぞる気持ちで確認していきましょう。触れているものがあれば、原則その相手から力を受けるので、何から受ける力であるかを考えて力を描き込みましょう。例えば、「面」に触れていれば垂直抗力や摩擦力、「糸」に触れていれば張力といったように考えます。

以上を踏まえて、正しい描図をしてみましょう。なお、図 1、2 ともに「空気」と触れているので、その中を運動する場合は空気抵抗が働きます。ただし、多くの問題において通常は無視するため、今回も同様に無視します(空気抵抗を考える必要がある場合、そのようなただし書きがつきます)。

図 1 ではまず重力、そして…以上ですね。物体が触れているものは何もありません。よって、正しい描図は下図の通りとなります。

図 2 の A に働く力としては、まず重力を描き込みます。続いて、触れているものを考えると「水平面」と「B」があります。どちらも「面」に触れているので、それぞれから受ける垂直抗力を描き込みます。

もちろん、問題で与えられた力 F も描き込みます。よって、正しい描図は下図の通りとなります(力が混みあってくると見づらいので、多少離しながら描くと、より見やすくなります)。

まとめ

いかがでしたでしょうか?力学では物体の運動を決めるルールを適切に理解し、正しく運用することが何よりも重要です。京都医塾では、そのルールを根本から正しく理解することを重視し、そしてその運用スキルを良質な問題演習を通して養っています。苦手な人も、一からやり直せます。一緒に物理を得意にしていきましょう!

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