力のはたらきの問題
水平でなめらかな机の上に小さなリング O を置き、3 本の糸をつけて、それぞれをばねばかりで水平に引きました。1 本目の糸は東向きに 、2 本目の糸は北向きに の力でリングを引いています。3 本目の糸を引く向きと力の大きさを調節したところ、リングは静止しました。3 本目の糸がリングを引く力の大きさは何 N ですか。ただし、リングと机のあいだの摩擦は考えず、糸の質量は考えないものとします。
この問題で使うもの
- 力の合成と 3 力のつり合い(説明と入口の問題)
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ヒント
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ヒント 1
力の合成と 3 力のつり合いを使います。3 力がつり合うとき、2 力の合力は残りの力と同じ大きさで反対向きです。
ヒント 2
東向き と北向き は直角に交わる 2 力です。平行四辺形(長方形)の対角線が合力になり、その長さは三平方の定理で求められます。
ヒント 3
合力の大きさは です。3 本目の力はこの合力とつり合います。
答えと解説
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解説を読む
3 力のつり合いの考え方
リングは静止しているので、リングにはたらく水平方向の 3 つの力はつり合っています(机はなめらかなので摩擦力ははたらかず、重力と机からの垂直抗力は鉛直方向でつり合っています)。
3 力がつり合っているとき、2 力の合力は、残りの 1 力と同じ大きさで反対向きになります。そこで、1 本目と 2 本目の糸が引く力の合力を求めます。
2 力の合力を求める
東向き と北向き の力は直角に交わっています。この 2 力を 2 辺とする平行四辺形は長方形になり、合力はその対角線で表されます。
対角線の長さは三平方の定理より
なので、合力の大きさは です。
3 本目の力を求める
3 本目の糸が引く力は、この合力と同じ大きさで反対向き(南西の向き)なので、大きさは です。
別解
リングが静止しているので、3 本の力はつり合っている。したがって 3 本目の力は、1 本目(東向き 3 N)と 2 本目(北向き 4 N)の合力と大きさが等しく、向きが反対(南西寄り)である。東向きと北向きは垂直なので、合力の大きさは直角三角形の斜辺として、三平方の定理より N。よって 3 本目の糸がリングを引く力は 5 N。確かめ: 3 本目の力を東西方向と南北方向に分けると、西向き 3 N と南向き 4 N で、東向きの 3 N、北向きの 4 N とそれぞれつり合い、全体の合力は 0 になる。