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応用数学力学摩擦ニュートンの法則静止摩擦力動摩擦力
2025/6/24
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1. 問題の内容**

問題は、以下の5つの物理の問題から構成されています。

1. 水平な床に置かれた質量5.0 kgの箱を水平方向に5.0 Nの力で引っ張ったが、箱は動かなかった。箱と床面との間の静止摩擦力を求める。

2. 問題1で、加える水平方向の力を徐々に大きくしていったところ、9.8 N に達したところで箱が動き始めた。最大摩擦力と静止摩擦係数を求める。

3. 箱が動き始めると水平方向の力は7.0 N となり、箱は等速直線運動をした。このときの動摩擦係数を求める。

4. 斜面上に置かれた質量5.0 kgの物体がある。斜面の水平からの傾きが30°のとき、物体は動かなかった。このときの静止摩擦力を求める。

5. 問題4で斜面の傾きを徐々に大きくしていったところ、傾きが45°になったとき物体が動き始めた。最大摩擦力と静止摩擦係数を求める。

**

2. 解き方の手順**

1. **問題1:** 静止摩擦力は、加えた力とつり合っているため、静止摩擦力は5.0 Nです。

2. **問題2:** 最大摩擦力は箱が動き出す直前の力であるため、9.8 Nです。静止摩擦係数$\mu_s$は、最大摩擦力$F_{max}$と垂直抗力$N$の関係から求められます。

Fmax=μsNF_{max} = \mu_s N
N=mg=5.0 kg×9.8 m/s2=49 NN = mg = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 = 49 \text{ N}
μs=FmaxN=9.8 N49 N=0.2\mu_s = \frac{F_{max}}{N} = \frac{9.8 \text{ N}}{49 \text{ N}} = 0.2

3. **問題3:** 等速直線運動をしているとき、加える力と動摩擦力はつり合っています。動摩擦力$F_k$は7.0 Nです。動摩擦係数$\mu_k$は、動摩擦力$F_k$と垂直抗力$N$の関係から求められます。

Fk=μkNF_k = \mu_k N
μk=FkN=7.0 N49 N0.143\mu_k = \frac{F_k}{N} = \frac{7.0 \text{ N}}{49 \text{ N}} \approx 0.143

4. **問題4:** 斜面に置かれた物体の重力$mg$を斜面方向と斜面に垂直な方向に分解します。斜面方向の重力の成分は$mg\sin\theta$です。

斜面方向の力は、静止摩擦力と重力の斜面方向の成分がつり合っています。静止摩擦力FsF_sは、
Fs=mgsinθ=5.0 kg×9.8 m/s2×sin30=5.0 kg×9.8 m/s2×0.5=24.5 NF_s = mg\sin\theta = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times \sin 30^\circ = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times 0.5 = 24.5 \text{ N}

5. **問題5:** 斜面の傾きが45°になったとき物体が動き始めたので、この時の静止摩擦力は最大摩擦力となります。

Fmax=mgsinθ=5.0 kg×9.8 m/s2×sin45=5.0 kg×9.8 m/s2×2234.65 NF_{max} = mg\sin\theta = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times \sin 45^\circ = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times \frac{\sqrt{2}}{2} \approx 34.65 \text{ N}
垂直抗力はN=mgcosθ=5.0 kg×9.8 m/s2×cos45=5.0 kg×9.8 m/s2×2234.65 NN = mg\cos\theta = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times \cos 45^\circ = 5.0 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 \times \frac{\sqrt{2}}{2} \approx 34.65 \text{ N}
静止摩擦係数μs\mu_sは、
μs=FmaxN=34.65 N34.65 N=1\mu_s = \frac{F_{max}}{N} = \frac{34.65 \text{ N}}{34.65 \text{ N}} = 1
**

3. 最終的な答え**

1. 静止摩擦力: 5.0 N

2. 最大摩擦力: 9.8 N, 静止摩擦係数: 0.2

3. 動摩擦係数: 約0.143

4. 静止摩擦力: 24.5 N

5. 最大摩擦力: 約34.65 N, 静止摩擦係数: 1

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