運動とエネルギーの問題
質量 の動滑車に、質量 の物体をつるしました。ひもの一方の端を天井に固定し、ひもを動滑車の下に通して、もう一方の端を手で真上に引き、物体を一定の速さでゆっくり引き上げました。動滑車の両側のひもはどちらも鉛直です。このとき、手がひもを引く力の大きさは何 N ですか。ただし、質量 の物体にはたらく重力の大きさを とし、ひもの質量と摩擦は考えないものとします。
この問題で使うもの
- 滑車と仕事(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(5 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
技能「滑車と仕事」を使います。動滑車を 1 つ使うと、ひもを引く力は(物体と動滑車の重さ)の半分になります。
ヒント 2
動滑車の重さも忘れずに入れて、物体と動滑車の重さの合計を求めましょう。
ヒント 3
質量の合計は なので、重さの合計は です。これを 本のひもで支えています。
答えと解説
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解説を読む
動滑車は、物体と動滑車の重さを、両側の 本のひもで支えます。そのため、動滑車を 1 つ使うと、ひもを引く力は(物体と動滑車の重さ)の半分ですみます(そのかわり、ひもを引く距離は物体が上がる距離の 倍になります)。
1. 物体と動滑車の重さ
物体と動滑車の質量の合計は
なので、重さの合計は
2. ひもを引く力
一定の速さでゆっくり引き上げているので、動滑車と物体にはたらく力はつり合っています。上向きの力は 本のひもが引く力で、 本のひもが引く力は手がひもを引く力と同じ大きさです。よって、手がひもを引く力の大きさは
よって、手がひもを引く力の大きさは です。
別解
動滑車は で 、物体は で 。動滑車と物体を合わせた重さは 。一定の速さで引き上げるので、力はつりあっている。この重さを動滑車の両側の 2 本のひもで支えるので、1 本あたり 。手が引く力はひもの張力に等しく 。検算: 2 本のひもが上向きに で、下向きの とつりあう。