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力のつり合いと作用・反作用

2 力のつり合いの条件（同じ大きさ・反対向き・同一直線上・同じ物体にはたらく）と、作用・反作用の関係（同じ大きさ・反対向き・別々の物体にはたらく）を区別して、示された 2 力の組がどちらにあたるかを判定できる

前提

説明

1 つの物体に 2 つの力がはたらいていて、物体が動かない（静止している）とき、この 2 力はつり合っているといいます。一方、物体 A が物体 B に力を加えると、同時に B も A に力を加えます。この 2 力の関係を作用・反作用といいます。この技能を身につけると、机の上の本や、ばねにつるしたおもりなどの場面で示された 2 力の組が、つり合う 2 力なのか、作用・反作用の 2 力なのかを判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

2 力のつり合いは、「1 つの物体」に注目したときの話です。1 つの物体に 2 つの力がはたらいて物体が動かないのは、2 つの力が互いの効果を打ち消し合っているからです。打ち消し合うためには、2 力の大きさが等しく、向きが反対で、同じ直線上にあることが必要です（向きが反対でも直線がずれていると、物体は回ってしまいます）。そして、打ち消し合うのは同じ物体にはたらく力どうしだけです。

作用・反作用は、「2 つの物体の間のやりとり」の話です。手で壁を押すと、手も壁から押し返されるのを感じます。このように、力は必ず 2 つの物体の間で対になってはたらき、A が B を押す力（作用）と B が A を押し返す力（反作用）は、大きさが等しく、向きが反対で、同じ直線上にあります。ここまではつり合いと同じですが、決定的に違うのは、作用は B に、反作用は A にと、別々の物体にはたらくことです。別々の物体にはたらく力は打ち消し合わないので、作用・反作用の 2 力を「つり合っている」とはいいません。

したがって、2 力の組を判定するときは、大きさや向きを見るだけでは区別できません。それぞれの力が「どの物体に」はたらいているか（だれがだれに加える力か）を確かめることが決め手になります。

手順

  1. 2 つの力それぞれを「（何）が（何）に加える力」の形に書き直す。重力は「地球が物体を引く力」と読む

  2. 2 力の向きを確かめる。向きが反対でなければ、つり合う 2 力でも作用・反作用でもない

  3. 2 力が同じ物体にはたらいているなら、つり合う 2 力の候補（大きさが等しく、反対向きで、同じ直線上にあれば、つり合っている）

  4. 2 力が「A が B に加える力」と「B が A に加える力」のように、2 つの物体の間で入れかわった組なら、作用・反作用の 2 力と判定する（このとき大きさは必ず等しい）

例題

水平な机の上に本が静止している。次のア〜エの 2 力の組のうち、作用・反作用の関係にあるものとして最も適当なものを 1 つ選べ。
ア　本にはたらく重力と、机が本を押す力
イ　本が机を押す力と、机が本を押す力
ウ　本にはたらく重力と、本が机を押す力
エ　机にはたらく重力と、床が机を押す力

例題の解答

手順 1：それぞれの力を「何が何に加える力か」に書き直す。
ア：地球が本を引く力（本にはたらく）と、机が本を押す力（本にはたらく）
イ：本が机を押す力（机にはたらく）と、机が本を押す力（本にはたらく）
ウ：地球が本を引く力（本にはたらく、下向き）と、本が机を押す力（机にはたらく、下向き）
エ：地球が机を引く力（机にはたらく）と、床が机を押す力（机にはたらく）

手順 2：ウは 2 力がどちらも下向きで、向きが反対ではないので、どちらの関係でもない。

手順 3：アとエは同じ物体にはたらく 2 力なので、作用・反作用ではない。アは本にはたらく重力と、机が本を押す力がつり合っている組である。エは、床が机を押す力が机の重さに本の重さも加わった大きさになるので、机にはたらく重力とは大きさが等しくなく、つり合いでもない。

手順 4：イは「本が机を押す力」と「机が本を押す力」で、本と机の間で、加える側と受ける側が入れかわった組になっている。したがって作用・反作用の関係にあるのはイである。

答え:

イ

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること