物理の勉強記録&参考書紹介

作用反作用の法則

(※数式が見切れている場合は横スクロールしてください。)

この節では中学校レベルの理科の復習を行います。マキノさんも中学生のときに作用反作用の法則について、習いましたよね?

作用反作用の法則はそれ自体それほど簡単なものではないと思うことも多いはずです。まずは言葉による説明を「ゆっくり」そして「繰り返し」読んでもらって時間をかけて理解していただければ結構です。

まずはいくつか具体例を挙げるところから始めることにしますね。

「人が壁を押したときに、壁に人が押し返される」こと、「糸が重りを引くときに、重りが糸を引き返す」こと、「磁石のn極がs極を引きつけるときに、s極がn極を引きつけ返す」こと、これらは全て作用反作用の法則の例です。

前者2つは直接接触している2物体間で起こる現象に対して、最後の1つは必ずしも接触を必要としない現象ですね。

接触していようがいまいが、以下の定義のように作用反作用の法則を理解して、受け入れておくことが大事です。

定義

「1つの物体Aが他の1つの物体Bに対して力を加えているとき、同時にBもAに対して逆向きに同じ大きさの力を加える」というのが作用反作用の法則である。

あえて、難しい表現を用いると、作用反作用の法則は2物体間の相互作用について説明したものとも言えます。物理屋さんは「相互作用」という言葉が好きなのでこれから度々出てくるはずですが、少しずつ慣れていただければ大丈夫です。

運動方程式の導入のときにも用いた言葉で「受け入れる」という表現ですが、この表現を使うときにはそれは物理学という学問体系を形成するために必要なルールについて言及していると思ってください。(このルールのことを物理では原理と表現することが多いです。)

ルール(原理)について、疑っていては先に進めないです。ルール(原理)については証明なしにそういうものだと(文字通り)受け入れてください。

さて、話を戻します。

物理において、相互作用という言葉を用いることは非常に多いのですが、「2物体間の相互作用」という言葉は、2つの物体がお互いにどのように力を及ぼしあっているか、を説明するときに用いる言葉です。

先ほどの3つの例では、前者2つが接触型の相互作用で、最後の1つが非接触型の相互作用という風に表現することができます。

初等的な力学においては作用反作用の法則を図示さえできれば、それで十分です。以下の問題を解くことによって、作用反作用の法則の図示に慣れてください。

問題

以下の力\(\vec{F}\)についてそれぞれ、反作用となる力\(-\vec{F}\)を図示せよ。

1.

人が壁を押す力\(\vec{F}\)

2.

地球が人を引く力\(\vec{F}\)

3.

床が箱を押す力\(\vec{F}\)

4.

糸が球を引く力\(\vec{F_1}\)
糸が天井を引く力\(\vec{F_2}\)

5.

ばねが箱を引く力\(\vec{F_1}\)
床が箱を引く力\(\vec{F_2}\)

解答

答えのみ書いておきます。

1.

壁が人を押す力\(-\vec{F}\)

2.

人が地球を引く力\(-\vec{F}\)

3.

箱が床を押す力\(-\vec{F}\)

4.

球が糸を引く力\(-\vec{F_1}\)
天井が糸を引く力\(-\vec{F_2}\)

5.

箱がばねを引く力\(-\vec{F_1}\)
箱が床を引く力\(-\vec{F_2}\)

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