![[中学理科]力の大きさが一定なのになぜ加速？「力と物体の運動」の関係の核心を解説！](https://i0.wp.com/you-can-blog.com/wp-content/uploads/2022/06/bullet-ge58f8cb87_1920.jpg?fit=1920%2C1920&ssl=1)
みなさんこんにちは、ゆーきゃんです。
これまで、力や仕事に関して解説してきました。
今回のテーマは、「力と物体の運動」の関係についてです。
斜面上の物体が下ってゆくとき、物体は加速してゆくのになぜかそれに働く力が一定であることに疑問を感じる人もいるかと思います。
一方で、物体に働く力がつりあうときは等速で運動するのも腑に落ちない方もいるかもしれません。
今回は、それらを説明する理論を駆使して、物体の運動の本質に迫っていきたいと思います。
また、本記事と合わせて以下の記事もぜひご覧ください。
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「速さ」と「加速度」について
その本題に入る前に、知っておかなければならない概念である「速さ」と「加速度」について解説します。
まず、「速さ」についてです。
- 「平均の速さ」＝(移動した距離)÷(時間)＝「位置-時間のグラフの2点間の傾き」
- 「瞬間の速さ」＝「位置-時間のグラフのある点における接線の傾き」
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例えば、10[cm]移動するのに5[秒]かかったとき、「平均の速さ」は10÷5=2[cm/秒]となります。
また、「瞬間の速さ」は物体の運動を観測する時間を限りなく0に近づけたときの速さなので、上のグラフのある点の接線の傾きと対応します。
次に、中学校では習わないかもしれませんが、「加速度」を導入します。
- 「平均の加速度」＝(速さの変化量)÷(時間)＝「速さ-時間の2点間の傾き」
- 「瞬間の加速度」＝「速さ-時間のグラフのある点における接線の傾き」
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例えば、5秒間で速度が15[cm/s]変化したとき、「平均の加速度」は15÷5=3[cm/s2]となります。
また、「瞬間の加速度」は物体の運動を観測する時間を限りなく0に近づけたときの加速度なので、上のグラフのある点の接線の傾きと対応します。
「ニュートンの運動方程式」によって運動が決まる
では、本題に入っていきましょう。
「力」と「物体の運動」はどのように関わっているのでしょうか。
それを説明するのが、「ニュートンの運動方程式」です。
質量\(m\)[kg]である物体に、大きさ\(F\)[N]の力をかけると、それと同じ向きに大きさが\(a\)[m/s2]の加速度が生じる。このとき、以下の「ニュートンの運動方程式」が成立する。
$$ma=F$$
![[中学理科]力の大きさが一定なのになぜ加速？「力と物体の運動」の関係の核心を解説！](https://i0.wp.com/you-can-blog.com/wp-content/uploads/2022/06/物体の運動.png?resize=1024%2C190&ssl=1)
この運動方程式が何を意味するのかというと、「物体はより大きな力をかけられると加速度は大きくなり、物体の質量が大きいと加速しにくい」ということです。
また、物体に左向きに力を加えれば、物体の加速度は左向きになります。
「等速直線運動」とは？
ニュートンの運動方程式より、物体に働く力がつりあっているあるいは働かないときは、加速せずに等速で運動し続けます。
ですので、「等速直線運動」の性質として次のことを覚えてしまいましょう。
「等加速度運動」とは？
物体に常に一定の大きさの力をかけつづける場合、ニュートンの運動方程式から物体の加速度の大きさは常に一定となります。
これを、「等加速度運動」といいます。
例えば、斜面上を運動する物体はその重力の斜面方向成分の大きさは常に一定なので、一定の大きさの加速度がかかり続け物体は加速していくのです。
そのため、「等加速度運動」の性質として次のことを覚えてしまいましょう。
まとめ：[中学理科]力の大きさが一定なのになぜ加速？「力と物体の運動」の関係の核心を解説！
いかがでしたか。
今回の記事では、「力と物体の運動」の関係について解説しました。
「ニュートンの運動方程式」を用いれば、物体の運動の様子が決定されます。
中学では習わないことかもしれませんが、物体の運動の理解に活用するとよいでしょう。
次回は、物体の運動に関する計算問題の解説を行っていきます。
また、本記事と合わせて以下の記事もぜひご覧ください。
ご一読いただきありがとうございました。
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