垂直抗力と摩擦力って何？わかりやすく解説

本記事では垂直抗力と摩擦力について解説します。

力学の問題ではほぼ100％と言って良いほど出題される頻出テーマですので、ぜひ本記事を参考にマスターしてくださいね。

なぜその現象が起こるのか？を理解するのが物理上達のカギ

僕のブログでは高校物理で偏差値をあげるために必要な勉強法や知識をお伝えしています。
もしかしたらこのページを読んでいるあなたも「物理は難しい！」と思っているかもしれませんね。
ですが、高校物理はコツさえつかめばこれ以上なくローリスクハイリターンが見込める非常にコスパの良い科目です。

で、そのコツの一つが日常的に物理現象について考えるクセをつけること。例えば

• ジェットコースターに乗ると体が引っ張られるのはなぜ？
• なぜ空は昼に青く、夕焼けは赤い？

こういったことに疑問を持って、それをどうやったら説明できるかを常に考えていると物理的なセンスはどんどん磨かれていきます。

ちなみに上記の疑問は全部、高校物理までの知識で原理を説明することができます。
公式を覚えたり演習をするのも大切ですが、日常の物理現象に目を向けてそれと学んだことを関連づけると自然と物理的センスが磨かれて得点がアップします。

今回はそんな日常的な物理現象の例を交えて解説をしていきましょう。

問題：僕たちはなんで地面に立っていられるのか？

ここで一つ質問です。

「僕たちはなぜ地面に立てているのでしょうか？」

哲学的な話じゃないですよ。物理的な質問です。

僕たちは地面、つまり地球に立っています。地球にいる人には常に重力が働いていますが、もし僕たちに働いている力が重力だけだとしたらおかしなことが起きてしまいます。
なぜならもし物体に働く力が重力のみであるならば「物体は重力の向きに運動を続ける＝地面にめり込む」ということが起こってしまいます。
重力が働いている以上、物体は地球の中心に落ち続けないといけないわけです。

にもかかわらず僕たちは普通に地面に立つことができています。
これは外部からの力が０、つまり合力が０になるよう重力に釣り合う力が働いているということです。
この時に重力と釣り合っている力が垂直抗力です。

垂直抗力

物体が接している面から垂直に受ける力を「垂直抗力」と呼びます。
垂直抗力が働いてくれるおかげで壁に手をつけても手がめり込むことはないですし、地面に落ち続けることもないわけです。
垂直抗力が働くことで、僕たちは建物を建てることができたり地面を歩くことができています。

摩擦力

垂直抗力とセットで覚えたいのが摩擦力についてです。

物体に垂直抗力が働くとき、水平方向の力と逆向きに摩擦力が働きます。

摩擦力とは一体、どんな力なのでしょうか？
摩擦力は大きく分けて２種類の力に分類することができます。

①静止摩擦力

１つ目の摩擦力が静止摩擦力です。

静止摩擦力とは

物体が静止している時に働く摩擦力。
特に物体が動き出す瞬間の摩擦力を最大静止摩擦力（最大摩擦力）と呼ぶ。
最大静止摩擦力：（μ：静止摩擦係数）

静止摩擦力とはその名の通り静止している物体に働く摩擦力のことです。
この中で物体が動き出す瞬間の摩擦力を最大静止摩擦力と呼び、垂直抗力Nの大きさに比例します。
この時の比例定数μを静止摩擦係数と呼びます。

高校物理では特にこの最大静止摩擦力について問われ、静止摩擦力について出題されることはほぼありません。

②動摩擦力

２つ目の摩擦力が動摩擦力です。

静止摩擦力とは

物体が移動している時に働く摩擦力を動摩擦力と呼ぶ。
動摩擦力：（μ’：動摩擦係数）

こちらも最大静止摩擦力と同じで垂直抗力に比例します。
比例定数μ’を動摩擦係数と呼びます。

摩擦力は３段階で変化する

物理が苦手な人が本記事を読んだら、なんだか色々な摩擦力が出てきて混乱するかもしれませんね。
もう少しイメージしやすいようにイラストで解説をしましょう。

例えば、あなたが重いものを押した時のことをイメージしてみてください。
物を押し始めてからしばらくは力を入れてもなかなかそのモノは動かないはずです。
なぜなら物体に働く静止摩擦力は押す力に比例して強くなるから。
押せば押すほど静止摩擦力が強くなるのでなかなかモノは動きません。

ですが、静止摩擦力は無限に大きくなるわけではありません。
ある一定の大きさを超えるとモノは動き出します。
この動き出す瞬間の摩擦力が最大静止摩擦力です。

最大静止摩擦力を超える力でモノを押すと、モノが動き出します。
モノが動く時に働く動摩擦力は、静止摩擦力よりも小さいので、一度動き出すとあとは楽にモノを動かせるようになります。

摩擦力の変化をグラフで表すと下記の画像のようになります。

グラフでイメージすると摩擦力の働き方がわかりやすいですね。

動画で本記事についてわかりやすく解説

本記事についてはこちらの動画でも解説していますので、時間があればぜひご覧ください。

まとめ

摩擦力ははじめて物理を勉強した人にとってはわかりにくいものかもしれませんね。
ですがどんな物理公式も日常生活の物理現象に紐付けるとイメージがしやすくなります。
日常的に考えるクセをつけるかどうかで物理のニガテ意識は違ってきますし、上達スピードも段違いに変わってきますよ。