物理基礎 / 力と運動の法則

つり合いと作用反作用の区別

★ 基礎作用反作用力のつり合い

問題

水平な机の上に質量 $2.0 kg$ の本が置かれて静止している。重力加速度の大きさを $9.8 m/ s^{2}$ とする。

(1) 本にはたらく重力とつり合っている力は何か。その大きさも答えよ。

(2) 本にはたらく重力の反作用は何という力か。それはどの物体にはたらいているか。

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つり合う 2 力は同じ物体に、作用反作用の 2 力は必ず別々の物体にはたらく。重力は「地球が本を引く力」— では、その反作用は?

解答・解説

つり合いは「同じ物体にはたらく 2 力」、作用反作用は「別々の物体にはたらく 2 力」。この区別を軸に整理する。

⓪ 発想 — どう考え始めるか。 つり合いと作用反作用は、どちらも「大きさが等しく逆向きの 2 力」なので混同しやすい。区別の決め手は 1 つだけ。

つり合い=同じ物体にはたらく 2 力。作用反作用=別々の物体にはたらく 2 力。

重要作用反作用の 2 力は必ず「A が B におよぼす力」と「B が A におよぼす力」のペア

① つり合う相手。

本にはたらく力は、重力(下向き $2.0 \times 9.8 = 19.6 N$ )と、机からの垂直抗力(上向き $N$ )。静止しているから

$N = 19.6 N$

つり合っているのは机が本におよぼす垂直抗力だ。どちらも「本」にはたらいている。

② 重力の反作用。

重力の正体は「地球が本を引く力」。作用反作用のペアは主語と目的語を入れ替えて、「本が地球を引く力」。これは地球にはたらく、大きさ $19.6 N$ の力だ。

本にはたらく 2 力(つり合い)。W の反作用「本が地球を引く力」は図の外の地球にはたらく

まとめ 力を「〜が〜におよぼす力」と主語つきで言い直すのがコツ。主語と目的語を入れ替えたものが反作用。垂直抗力の反作用も同様に「本が机を押す力」で、机にはたらく。

答

(1) 机が本におよぼす垂直抗力、 $19.6 N$ (2) 本が地球を引く力(万有引力)。地球にはたらく

机を取り去る思考実験ルート(苦手な人向け)。 つり合いの相手(垂直抗力)は、机を取り去ると消えて本は落ちる — つまり状況しだいで消える力。

一方、反作用(本が地球を引く力)は、机があってもなくても、本が空中で落下中でも必ず存在する。重力がある限り反作用は消えない。「消せるかどうか」を考えると、つり合いの相手と反作用は別物だと実感できる。