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高校基礎Chapter 57

摩擦力と垂直抗力

摩擦力は「面が物体を押し返す力」に比例する。大きさを求めるにはまず垂直抗力を出す。

#摩擦力#垂直抗力#静止摩擦#動摩擦#摩擦係数

つまり「面が押し返す力 × 摩擦係数」

垂直抗力 N = 面が物体を垂直に押し返す力

摩擦力 f = 面が物体の運動を妨げる力

fmax=μNf_{\text{max}} = \mu N


静止摩擦 vs 動摩擦

種類特徴
静止摩擦力加えた力と等しい(最大値まで)
最大静止摩擦力動き出す直前の最大値
動摩擦力動いている間。一定。最大静止より小さい

「最大静止 > 動摩擦」→ 動き出すまでが一番力が必要。


斜面上の垂直抗力

斜面角 θ の場合:

N=mgcosθN = mg\cos\theta

N = mg ではない。コサインがつく。


動かない条件

μsN=μsmgcosθ \leq \mu_s N = \mu_s mg\cos\theta

動かす条件(斜面上):

mgsinθ>μsmgcosθtanθ>μsmg\sin\theta > \mu_s mg\cos\theta \Rightarrow \tan\theta > \mu_s


💡豆知識

スポーツ選手がスパイクを履くのは摩擦係数を上げるためだ。サッカースパイクの歯は地面に食い込み、摩擦力(横方向の力)を大きくして急な方向転換を可能にする。一方、アイススケートの刃は接触面積を極端に小さくして圧力を高め、氷を一時的に溶かして水の膜(極めて小さい摩擦)で滑る。摩擦係数のコントロールが多くのスポーツ用具の設計の核心だ。

よく間違えるところ

「N = mg」が成立するのは水平面のみ。斜面では N = mgcosθ、加速しているエレベーターの中では N ≠ mg。問題で「垂直抗力 N を求めよ」と言われたら、必ず運動方程式(鉛直方向)から求める。N = mg と思い込んだまま計算すると全部間違いになる。

重要ポイント

まとめ

  • f = μN(N:垂直抗力)
  • 最大静止摩擦 > 動摩擦
  • 斜面:N = mgcosθ
  • N = mg は水平面のときだけ

まとめ

  • f = μN(N:垂直抗力)
  • 最大静止摩擦 > 動摩擦
  • 斜面:N = mgcosθ
  • N = mg は水平面のときだけ

// quiz

確認問題

Q1.最大静止摩擦力の式はどれか?

Q2.動摩擦力と最大静止摩擦力の関係はどれか?

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単振動(バネ・振り子)

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