力学

▶物理基礎

 

【1.物体の運動】
1-1:速さと速度の違いとは?単位の変換方法も解説!
1-2:平均の速度と瞬間の速度の違い!速度がわかるxtグラフ!
1-3:等速直線運動とは?速度の公式で問題は解ける!
1-4:等速直線運動のグラフ!公式もわかりやすく解説!
1-5:速度の合成とは?公式と求め方をわかりやすく解説!
1-6:相対速度とは?公式や求め方と合成速度との違い!
1-7:加速度とは?公式と単位や速度との関係!
1-8:等加速度直線運動の公式とグラフ!例題もわかりやすく解説!
1-9:自由落下と鉛直投げ下ろし!公式と重力加速度との関係!
1-10:鉛直投げ上げのグラフと公式!負の重力加速度とは?

 

【2.力と運動】
2-1:力の定義と種類!単位はニュートン!力を表す3要素とは?
2-2:力の合成と分解とは?力のつり合いのポイントは合力が0!
2-3:重力と垂直抗力と張力!作図とつり合いの式のポイント!
2-4:作用反作用の法則!力のつり合いとの違いとは?
2-5:弾性力とフックの法則!ばね定数の求め方と単位!
2-6:摩擦力とは?静止摩擦力と最大摩擦力と動摩擦力の関係!
2-7:圧力の公式と単位!水圧の計算もわかりやすく解説!
2-8:圧力や水圧の公式と単位!浮力の公式とアルキメデスの原理!(編集中)

 

【3.仕事と力学的エネルギー】
3-1:

力の合成と分解とは?力のつり合いのポイントは合力が0!

物理学での『』の定義は、この2点でしたね。

 

  1. 物体を変形させる原因となるもの
  2. 物体の運動状態を変化させる原因となるもの

 

そして、力は大きさと向きを持つベクトル量なので、矢印で表せます。
力の大きさ・向き・作用点のことを「力の3要素」と言うのでしたね。

 

さて、力は矢印で表せるので、数学のベクトルと同じように、力を合成したり分解して考えられるようになりました。

 

なぜ、そんなことをするのでしょうか?

 

まとめて1つの力としたり、力を2方向に分けて考えた方が、力を受けた物体の運動を調べるときに便利だからなんです!

 

今回は、力の合成と分解の方法や、力のつり合いについて見ていきましょう。

 

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圧力の公式と単位!水圧の計算もわかりやすく解説!

圧力(あつりょく)』という言葉は、物理だけでなく日常生活でも使われていますね。

 

「次のテストは20点アップしろってプレッシャー(=圧力)かけられたー」なんて言っていませんか?

 

こういう発言を聞くと、『圧力』もの一種かな?と思ってしまいますね。
でも、物理学的には『圧力』は重力(じゅうりょく)や弾性力(だんせいりょく)のような力そのものではありませんよ。

 

圧力』とは、1 m2あたりにかかる力(力の種類は何でも良い)のことなんです。
なぜこんな定義が生まれたのでしょう?

 

そして、空気から受ける圧力は『大気圧(たいきあつ)』、水の重さによって生じる圧力は『水圧(すいあつ)』と呼ばれているんですよ。

 

では、『圧力』『大気圧』『水圧』について見ていきましょう。

 

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摩擦力とは?静止摩擦力と最大摩擦力と動摩擦力の関係!

今回は、『摩擦力(まさつりょく)』について学びましょう。
物体と接する面との間に働く『接触力(せっしょくりょく)』の1つですね。

 

摩擦力』と言えば、荷物を押して動かしたいのに床との摩擦で動かない、とか、すべり台との摩擦でスムーズにすべらない、なんてことが思い浮かびませんか?

 

摩擦力は物体の動きを妨げるやっかいな力というイメージがあるかもしれませんね。
でも、もし摩擦力が無かったら?

 

人間は歩くことができず、鉛筆で文字を書くこともできず、自転車や自動車のタイヤは空回りして進まず、ブレーキだって使えなくなりますよ。

 

摩擦力は、やっかいものどころか、私たちの生活に欠かせない力なのですね。
当然、物理現象を考えるときにも必要不可欠な力です!

 

物理学では、『摩擦力』を3種類に分けて考えますよ。

 

  • 物体を押しても静止しているときの摩擦力が『静止摩擦力(せいしまさつりょく)
  • 物体が動き出すときの摩擦力が『最大摩擦力(さいだいまさつりょく)
  • 物体が動いているときの摩擦力が『動摩擦力(どうまさつりょく)

 

それから、摩擦力は力なので単位は[N](ニュートン)ですね。

 

それでは、『摩擦力』について見ていきましょう!

 

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弾性力とフックの法則!ばね定数の求め方と単位!

今回は、『接触力(せっしょくりょく)』の1つである『弾性力(だんせいりょく)』について学びましょう。

 

弾性力』の身近な例と言えば、ビヨーンビヨーンと伸び縮みするばねですね。

 

ばねを伸ばすと縮めようとする力が働きますし、縮めると伸びようとする力が働きますね。
このもとに戻ろうとする力が『弾性力』なんですよ。

 

弾性力の面白いところは、物理では珍しく、力の大きさが目に見えるところですね。
ばねの伸びる長さや縮む長さとして見えることを利用したのがばね秤ですよ。

 

さて、ばねを触ったときのことを思い出してみましょう。
手元にあったら、伸び縮みさせてみてくださいね。

 

ばねを伸ばせば伸ばすほど、縮めれば縮めるほど、もとに戻ろうとする力が強く感じられませんか?

 

ばねの伸び縮みの長さと『弾性力』の大きさには関係があるのです。
それが、『フックの法則』ですよ。

 

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鉛直投げ上げのグラフと公式!負の重力加速度とは?

今回は、鉛直方向の落下運動の3つ目、『鉛直投げ上げ(えんちょくなげあげ)』について学びましょう。

 

鉛直投げ上げ』は読んで字のごとく、鉛直上向き、つまり真上に投げ上げた物体の運動ですよ。

 

何か物体を真上に投げ上げたところをイメージしてください。
消しゴムや小石を真上に投げ上げてみてもいいですよ。
(自分や他人に当てないように!)

 

物体を真上に投げ上げると、最高点に達した後、真下に落下してきます。
なので、落下運動なんですね。

 

そして、鉛直上向きに上昇している間も、鉛直下向きに落下している間も、物体は重力(じゅうりょく)だけを受けて運動していますね。

 

ですから、『鉛直投げ上げ』は重力加速度(じゅうりょくかそくど)を持つ等加速度直線運動なんですよ。

 

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自由落下と鉛直投げ下ろし!公式や重力加速度との関係!

等加速度直線運動(とうかそくどちょくせんうんどう)』とは、「物体がずーっと一定の加速度で直線上を進む運動」でしたね。

 

速度の変化が一定、というシンプルな直線運動でしたが、現実にこんな運動はあるんでしょうか?

 

実は、わりとあるんですよ。
一番身近な例は、『落下運動(らっかうんどう)』でしょう。

 

誰でも物を落としたことがありますよね。
机の上から消しゴムを落としてしまったり、橋の上から小石を落としてみたり。

 

そのとき、物体は速度をどんどん増しながら落ちていきます。
つまり、加速度運動なんですね。

 

落下する様子を写真に撮ったり、学校の授業で記録タイマーを使った簡単な実験をすると、落下運動=等加速度直線運動であることが分かりますよ。

 

物理基礎で扱う落下運動は、鉛直方向の運動で3つあります。
今回は、『自由落下(じゆうらっか)』と『鉛直投げ下ろし(えんちょくなげおろし)』の2つについて学んでいきましょう。

 

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作用反作用の法則!力のつり合いとの違いとは?

今回は、『作用反作用の法則(さようはんさようのほうそく)』を取り上げますね。

 

中学校の理科でも習うので、聞いたことはあるでしょう。

 

空気を押しても手応えは感じませんね。
窓につるしたカーテンを押すと少し手応えを感じます。
部屋の壁を押すともっと強い手応えがありますね。

 

あなたが手応えを感じるのは、押したものから押し返されるからです。
押すだけでなく、例えば重い物にロープをつけて引っ張るときも抵抗するような力を感じますよね。

 

このように、押すと押し返され、引っ張ると引っ張られることを『作用反作用の法則』と言いますよ。

 

この法則は、2-12-2で学んだ『力のつり合い』とごっちゃになりやすいのです。
この違いも理解していきましょうね。

 

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重力と垂直抗力と張力!作図とつり合いの式のポイント!

今回から、物体に働く色々な力について具体的に学んでいきましょう!

 

』とは、物体を変形させたり運動の速度や向きを変えるものでした。
つまり、物体の運動を調べるためには、物体に働く力を正確に知る必要があるんですよ。

 

そして、力は大きさと向きを持つベクトル量なので矢印で表せます。

 

そこで、「大きさ・向き・作用点」を表せる矢印を使って、目に見えない力を分かりやすく表すことにしたわけですね。

 

これで、物体に働くどの力とどの力がつり合っているか?ということが見えやすくなり、運動の仕組みが分かるようになりました。

 

ここでは、物体が地球から受ける『重力(じゅうりょく)』、面から受ける『垂直抗力(すいちょくこうりょく)』、糸やひもから受ける『張力(ちょうりょく)』、これらの力のつり合いについて詳しく見ていきましょう。

 

重力』『垂直抗力』『張力』は力なので、単位は[N](ニュートン)ですよ。

 

力を表す矢印や力のつり合いについて忘れていたら、先にこちらで復習しましょう!

 

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力の定義と種類!単位はニュートン!力を表す3要素とは?

これまでは『物体の運動』について学んできましたが、ここからは、運動のもととなる『』について学んでいきましょう!

 

さて、そもそも『』って何なのでしょうか?
物理学なので、筋力や能力じゃないな・・・ということは分かりますね。

 

例えば、ばねに力を加えると、ビヨーンと伸び縮みします。
止まっている台車を力をこめて押すと、ゴロゴロ動きだしたり向きが変わりますよ。

 

このように、力が物体に働くと、物体が変形したり動き出したりしますね。

 

つまり、力は世の中の全ての物体に関係しているんです。
なので、色々な現象が起こる原因を探るために、色々な力の働きを考えるわけですね。

 

物理学は、『』について考える学問でもあるんですよ。

 

で、この先は公式の丸暗記が通用しません!
物体にどんな力がどのように働いているか自分で見つけて考えないと、公式の使いようがないんですよ。

 

では、力とは何か、力の単位、力の表し方の順にお話していきますね。

 

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等加速度直線運動の公式とグラフ!例題もわかりやすく解説!

今回は、『等加速度直線運動(とうかそくどちょくせんうんどう)』について学んでいきましょう。

 

その名の通り、「物体がずーっと一定の加速度で直線上を進む運動」ですよ。

 

現実の運動では、例えば自動車は加速したり減速したりストップしたり、時刻によって加速度はバラバラですよね。

 

でも、そんな複雑な運動をいきなり扱うのは大変です。
なので、「加速度は一定」というシンプルな直線運動から考えていきますよ。

 

「えーっと、等速直線運動とごっちゃになっちゃいました・・・」

 

はじめはみんな混乱するんですよ。
ここで違いを理解しておきましょうね。

 

等速直線運動』は、直線上を同じ向きに同じ速度で進む運動です。
等加速度直線運動』は、直線上を同じ向きに同じだけ加速しながら進む運動なんですね。

加速しているので、等加速度直線運動では速度は変化していますよ。

 

等加速度直線運動』は、力学分野の最初の山場です!
しっかり理解していきましょうね。

 

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