いまさら聞けない!垂直抗力はなぜ垂直なのか?

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垂直抗力とは何でしょうか?面から受ける力の一つですね。

でも、垂直抗力はいついかなるときも、面に対して垂直なのです。摩擦があろうが無かろうが、面が斜面でも曲面でもいつも垂直です。

物理の基礎のしかも始めのほうで出てくるのですが、もやもやとした気持ちを持っている人もいるのではないでしょうか。

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垂直抗力はなぜ垂直か

どうして、「垂直」抗力なんでしょうか?そう決まっているから?でもそんなことは物理学ではおかしいですね。そんな疑問について考えてみましょう。

物体が平面上に静止しているとします。
このとき、物体は静止していますから、物体には重力がはたらいていますが、つりあうためにはそれと一直線上反対向きの力が必要ですね。

この力は斜面に対して垂直になることはわかりますね。

次に、同じような場面で今度は横から物体を力Sで引いてやります。

このとき引く力Sと重力mgの合力を考えます。
そうすると、図の右下方向に向かう力が合成されます。
物体は静止しているわけですから、これと一直線上反対向きに同じ大きさの力が必要です。

それを抗力 R とよびましょう。

そうですね。この抗力Rの面に対しての垂直成分を垂直抗力とよび、平行な成分を摩擦力としているのです。
したがって、この定義上、垂直抗力はいつも面に対して垂直になります。

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斜面での場合はどうか

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斜面上での場合はどうでしょうか?
やはり面に対して垂直にはたらくのでしょうか?次の図を見てください。

図では重力mgと一直線上反対向きに抗力Rが必要です。
このときの面に対して垂直成分を垂直抗力、面に平行な成分を摩擦力としているのです。

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では曲面の場合はどうでしょうか?

図のように接平面を考えれば、結局曲面でも同じことが言えるのです。
結果、接しているときに発生する垂直抗力は必ず、その物体との接平面に対して垂直になります。

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