高校物理の力学 作用・反作用と力のつり合いの違い

高校物理の力学 作用反作用の法則 学問・技術
物理苦手君
作用・反作用の法則がよくわからないんだけど・・・力のつり合いとの違いって何?
はなたか
作用・反作用と力のつり合いの区別だね。ごっちゃになりやすい部分だから詳しく解説するね。

本日は、作用・反作用の法則についてです。

力のつり合いと混同しやすい分野ですので、違いも含めて解説していきます。

力についてや、力の合成・分解についてはこれまでに解説していますので、下記を参考にしてください。

本記事ではこんな人におススメです。

本記事をおススメする人
  • 力学を学び始めた方で、作用反作用の法則がわからなくて困っている人
  • 作用反作用の法則と力のつり合いの違いがわからない人
  • 授業の予習でどんな感じかをつかみたい人

作用反作用と力のつり合いの違い

ポイントは下記です。

作用反作用と力のつり合いの違い

着目している物体の数が異なり

  • 作用反作用は2つの物体の力の関係
  • 力のつり合いは1つの物体の力の関係

この違いを頭に入れつつ、まずはそれぞれの法則について見ていきましょう。

作用反作用の法則

作用反作用の力の関係は、2つの物体の力の関係になります。

力が作用すると、必ず反作用で逆向きの力が同じ大きさで発生する、これが作用反作用の法則です。

下のアニメーションを見てみましょう。

作用反作用の法則

指で箱に力を与えていますので、箱は右向きに力を受けています(作用)。

一方、指は箱から同じ大きさの力を逆向きに力を受けます(反作用)。

つまり、作用・反作用の力は

作用した力:箱が指から受けた力

反作用の力:指が箱から受けた力

作用した力と、反作用の力は主語が違いますよね?

この場合では『箱』と『指』という2つの物体の間で発生した力の関係を指します。

まとめると、作用・反作用の法則は、

作用・反作用の法則のまとめ
  • 作用した力と、ペアとなる反作用の力の関係
  • 作用した力と反作用の力は逆向きの力で同じ大きさ
  • 作用した力と反作用で発生した力は、別々の物体に発生する(2つの物体の力の関係)

力のつり合い

次に力のつり合いについてです。

こちらは1つの物体に注目します。

箱が置いてある状態をイメージしましょう。

力のつり合い

重力で下向きの力が発生しているのですが、地面から反作用の力(垂直抗力)を受けて、静止しています。

この時の力のつり合いは、

箱が受ける重力』と『 箱が受ける垂直抗力』が力のつり合いの関係にあります。

よくある間違いは、『床が箱に押される力』と『箱が受ける垂直抗力』はつり合いではありません。

これは先ほど説明した作用・反作用の関係です。

なぜならば、床と箱の力の関係になっているので、2物体の力の関係を示しているからです。

細かく書いてみましょう。

力のつり合いと作用反作用の違い

このように、作用反作用の関係にある力と、力のつり合いの関係にある力は厳密に区別できます。

作用反作用・力のつり合いの区別の例

もう一つ例を見てみましょうか。

よくある例ですが、天井から糸でつるされて静止しているボールを考えてみましょう。

重力があるとして、この絵の中で発生している力をすべて書いてみます。

天井と糸に発生する重力は無視し、天井は固定されているとします。

ボールに働く力は、①ボールに発生する重力、②ボールが糸から受ける張力

糸に働く力は、③ボールに引っ張られる力、④糸とボールを支える力

天井に働く力は、⑤糸とボールに引っ張られる力、

合計5つを考えます。

さて、どれとどれが作用反作用で、どれとどれが力のつり合いでしょうか?

答えは、2ペアずつあります。

作用反作用は、②糸からの張力と③天井が糸から受ける張力のペア、④糸とボールを支える力と⑤糸とボールに引っ張られる力のペアです。

力のつり合いは、①ボールに発生する重力、②ボールが糸から受ける張力のペアと、

③ボールに引っ張られる力、④糸とボールを支える力、です。

作用反作用はボールに働く力と糸に働く力、あるいは糸に働く力と天井に働く力の2物体に働く力のペアとなっていますね。

力のつり合いはボールに働く力、あるいは糸に働く力の中で完結していますので、1物体に働く力のペアとなっています。

まとめ

作用・反作用の法則と、力のつり合いについて解説しました。

作用反作用と力のつり合いの違い

着目している物体の数が異なり

  • 作用反作用は2つの物体の力の関係
  • 力のつり合いは1つの物体の力の関係

これが区別するときのポイントになります。

この区別が感覚的にできるようになることを目標にしましょう。

物理が得意な大学生や社会人は、上記のポイントは感覚的にとらえている人がほとんどです。

たくさん問題を解くことで、これは作用・反作用の法則、これは力のつり合いというのが分かってきますので、今回勉強した内容をしっかり体に覚えこませましょう。