【何を覚える?】高校物理の力学で使う力の種類まとめ

高校物理の力学 何を覚える?力学分野の力のまとめ 学問・技術
物理苦手君
ヤバい!明日は力学のテストだ!でもどれを覚えたらいいんだろう??
はなたか
覚えないといけないことをこの記事で整理しているから、まずは頭にいれようね。

高校物理の力学で使う力の種類が多くて困っていませんか?

本記事では、 どんな力があって、どの力の式を覚えないといけないかを解説します。

詳細は別記事で解説しますので、全体像を把握して、どれが重要で、どれを覚えるかを見ていきましょう!

本記事をおススメする人
  • 力学を学び始めた方で、全体像が分からない人
  • テスト前でどれを覚えるべきか焦っている人
  • 授業の予習でどんな感じかをつかみたい人

高校物理の力学で使う力の一覧

表の形で下記に示します。

公式のある力

公式の無い力

次に公式の無いものの求め方です。

では、それぞれ見ていきましょう。

それぞれの力の解説

重力

まずは重力です。

みなさんも普段感じている、重力です。

月では地球の1/6倍です。

界王星では重力10倍です ^▽^;

これらは重力加速度gが異なるために、重力の大きさが変わります。

一方、図で出てくる質量が、みなさんの体重みたいなイメージです。

質量は月だろうが界王星だろうが変わりません。

『質量大きい方が、重たくなる』、そういう理解でOK。

最大静止摩擦力と動摩擦力

摩擦については別記事で解説しますが、理解に苦しむ人が多いのではないでしょうか?

まずは上記のイメージをしっかりもって、以下に解説します。

摩擦の種類

摩擦には3種類あります。

  1. 静止摩擦力
  2. 最大静止摩擦力
  3. 動摩擦力

このうち、公式で求まるのは、②最大静止摩擦力と③動摩擦力です。

どちらも摩擦係数と垂直抗力の掛け算です。

①の静止摩擦力は力のつり合いから求めます。

どの力と摩擦力がつりあっているかを考えて計算します。

摩擦力の向き

摩擦力のイメージですが、『動きを邪魔する力』と覚えましょう。

あなたが 行きたい方向に行こうとしても邪魔してくる力、それが摩擦力です。

テスト中でもわからなくなったら、手のひらに爪を立てて、ひっかいてみましょう。

爪にかかった力の向きはどうですか??

ひっかいた方向と逆向きの力が爪にかかったのではないでしょうか?

同じ方向だよ!とおっしゃる方は、おそらく手のひらにかかる力を感じているか、時空が歪んでいるのではないかと思います (;・Δ・)?

手のひら??って思った方は、手のひらではなく、机の上をやさしく爪でひっかいてみましょう。

爪はひっかいた方向と逆方向に剥がれそうになりますよね?

みなさん、絶対にやさしく引っ掻いてくださいね。爪を大切に。。。

弾性力(バネの力)

いわゆるフックの法則です。

バネが伸び縮みした分だけ力がかかります。バネ定数を掛け算するだけです。

弾性力の向き

伸びたか、縮んだか、で向きが変わります。

自然長という単語を覚えておく必要があるのですが、 バネの力がゼロになるような基準の長さです。

バネにな~んにも力をかけなかったら、伸びもしないし、縮みもしない、そんなときの長さを自然長と言います。

で、この自然長から伸びたのか?あるいは縮んだのか?を考えて向きを決めます。

バネのイメージとして、『自然長の長さに戻りたがる』と覚えましょう。

バネは伸びると、自然長の長さに戻りたがるので、縮もうとして、伸びた方向と逆方向に力が発生します。

逆にバネが縮むと、今度は伸びて自然長に戻ろうとするので、縮んだ方向と逆方向に力が発生します。

あとは正の方向をどのように設定しているかで+と-を決定しましょう。

浮力

アルキメデスの原理です。

文字が3つありますが、全部かけるだけです。

物体が押しのけた流体の重量の分、浮力が発生します。

これをしっかり覚えておいてください。

水の中に鉄球を沈めようが、ダイヤモンドを沈めようが、魚を泳がせようが、 体積が同じであれば、すべて同じ大きさの浮力がかかります。

よくある間違いですが、ρ:密度は、液体につかっている物体の密度ではありません

ρは、物体の周囲にある液体の密度、です。

例えば、人はプールより海水の方が浮きやすいのですが、これは浮力の違いです。

海水には塩分などが含まれていて密度が高く、浮力も大きくなるからです。

慣性力

これはイメージが付きにくいかもしれません。

慣性力は 『みかけの力』です。

注意しなければいけないのは、慣性の法則の『慣性』と『慣性力』は別モノです!

観測者、つまり見ている人が加速度運動しているときに、物体に見かけ上、力がかかっているように見える、というものです。

図のように、止まっている物体があったとき、観測者が加速度運動で遠ざかるとします。

観測者から見ると、物体はどんどん遠ざかっていくわけです。

しかもその遠ざかり方は、 観測者の加速度運動と同じ加速度で遠ざかっていきますね。

つまり、 観測者から見ると、力を受けて遠ざかっているように見えるわけです。

この見かけ上の力を慣性力、と言います。

表に無かった力について

詳細は別記事で解説しています。

公式のある力の表に無かった力についてですが、基本的には公式を覚える必要はありません。

例えば、糸の張力であったり、静止摩擦力であったり、垂直抗力であったり・・・

これらが問題に出てきたときは、下記の考え方で計算して求めます。

公式の無い力の求め方
  1. 物体が 静止、等速運動している場合

    力のつり合い

  2. 物体が 加速度運動している場合

    運動方程式

力のつり合いであれば、求める力と反対方向の力とイコールになります。

加速度運動の場合、運動方程式は、$F=ma$の式ですね。

まとめ

まずは公式のある力の表の内容を覚えましょう。

高校物理の力学で出てくる力については、表の内容でOKです。

簡単ではありますが、それぞれの力についての解説も行いましたので、イメージを持っていただけると思います。

使いこなすためには、公式の理解がどうしても必要になりますので、覚えたらまずはいくつか問題を解くようにしてくださいね。

問題を解いていってもう少し詳細が知りたくなったら、各項目の詳細ページで学習してください。

地道に問題を解いて、知識を定着させてレベルアップしていきましょう!