水平なあらい面上に置かれた物体に、水平方向に力を加える。加える力の大きさ $f$ を0から徐々に増加させていくと、$f$ が $f_0$ を超えたときに物体が滑り始めた。このとき、物体にはたらく摩擦力と $f$ の大きさの関係を表すグラフとして最も適切なものを選ぶ。

1. 問題の内容

水平なあらい面上に置かれた物体に、水平方向に力を加える。加える力の大きさ $f$ を0から徐々に増加させていくと、$f$ が $f_0$ を超えたときに物体が滑り始めた。このとき、物体にはたらく摩擦力と $f$ の大きさの関係を表すグラフとして最も適切なものを選ぶ。

2. 解き方の手順

* 物体が静止している間（$f < f_0$）、摩擦力は加えた力 $f$ と釣り合うように働き、物体の運動を妨げようとします。この時の摩擦力を静止摩擦力と呼びます。したがって、$f$ が増加するにつれて、摩擦力も増加します。グラフは原点を通る傾き1の直線になります。

* $f$ が $f_0$ に達すると、物体は滑り始めます。この時の摩擦力は最大静止摩擦力と呼ばれます。

* 物体が滑り始めた後（$f > f_0$）、物体にはたらく摩擦力は運動摩擦力となり、通常、最大静止摩擦力よりも小さく一定の値になります。グラフは水平な直線になります。

選択肢のグラフを吟味すると、

* ① 静止摩擦力は0からスタートし、適用された力fが増加すると摩擦力も直線的に増加しますが、物体が滑り始めた後も増加し続けているので不適切です。

* ② 静止摩擦力は0からスタートし、適用された力fが増加すると摩擦力も直線的に増加しますが、fがf0に達する前に摩擦力が一定になるので不適切です。

* ③ 静止摩擦力がずっと一定の最大摩擦力を保っているので不適切です。

* ④ 静止摩擦力は0からスタートし、適用された力fが増加すると摩擦力も直線的に増加し、fがf0に達した後、摩擦力が一定になるので、適切です。

3. 最終的な答え

④