物理基礎⑳ 仕事 ~力の向きと移動の向きを意識して解く~

物理基礎・物理
スポンサーリンク

こんにちは!今回は仕事について話をしていきます。

仕事っていうと、大人がやるお金を稼ぐための作業(言い方・・・笑)のイメージがありますよね!

物理基礎や物理で習う仕事は、日常生活の仕事の考えかたと異なります。

強いて似ていることといえば、値が大きいとその作業を行うときに疲れるという感覚が似ているぐらいです。

しかし、悲しいことながら物理の公式を用いて仕事を計算して値が0になったとしても、疲れるのが現実問題です。。。

少し、話がそれました!

では、仕事について学んで行きましょう!

仕事の定義と公式

物理では、

物体に力を加えて,力の向きに物体を移動させたときの力と移動距離をかけたもの

を仕事と定義しています。

仕事の公式

WFx (仕事〔J〕=力〔N〕×移動距離〔m〕) 

この公式で求めることができるのは、力と移動距離が同じ直線上にある場合のみです。

このようになると次は以下の問題が起こります。

力と移動距離の向きが軸からずれている場合はどうすればいいの?

力と移動距離がずれているということは、日常生活でよくあることです。

この場合にできることが2つあります。

  • 移動距離の向きをx軸として、力をx軸とy軸に分解する。
  • 力の向きをx軸として、移動距離をx軸とy軸に分解する。

このいずれかを行うことで、力の成分と移動距離の成分が一致する部分が発生します。

このオレンジで囲まれた部分をx軸とします。

x軸上で揃った、力の大きさと移動距離の大きさを掛け算することで仕事の大きさを求めることが出来るようになります。

この説明を読んで、力の分解が苦手だと感じた人は、力の分解のページへ移動しましょう♪

力の向きと移動距離の向きが異なる場合の公式

 WFxcosθ 

と表されます。

仕事の正・負・0

仕事は計算結果の値が、正・負・0の3パターンがあります。

といっても、仕事だけではなくて、ほとんどの数学を扱う学問はそうなってます(笑)

ここで、気付いて欲しいのは、どんな状況で仕事の値が正、負、0になるのか・・・

というのをすぐに答えられるようにすることが大切です。

正、負、0の3パターンはこう考える

  • 力の向きに物体が動いたとき  → 仕事の値は正となる。
  • 力と物体の移動方向が逆のとき → 仕事の値は負となる。
  • 力と移動方向が直角のとき   → 仕事の値は0となる。

三角比のcosθを意識した正・負・0の答えかた

記事の上の方で

WFxcosθ

という公式がありました。

この公式のcosθの部分を意識して符号を決めていきます。

θは力と移動距離の矢印がなす角を示します。

主な値の範囲はcosθが以下の範囲のときになります。

  • 0°≦θ<90° の場合 
  • θ=90° の場合
  • 90°<θ≦180° の場合

それぞれどのような計算になるのか検討していきましょう。

0°≦θ<90° の場合

cosθ>0であれば,W>0となり,力は正の仕事をします。

θ=90° の場合

cos90°=0であれば,W=0となり,力は仕事をしないため、W=0となります。

90°<θ≦180° の場合

cosθ<0であれば,W<0となり,力は負の仕事をします。

まとめ

今回、説明した分は仕事の基本的な考え方になります。

仕事という分野は、エネルギーという単元のスタートになります。

「仕事をするためには、エネルギーが必要である。」という重要な概念に関わっていきます。

かなり大事なことなことなので、忘れずに復習をしていきましょう♪

では、今回のまとめをしていきます。

  • 仕事は、力×移動距離で表される。
  • 計算するときは、力と移動距離の成分を一致させる。
  • 仕事には、正、負、0があり、力と移動距離の矢印のなす角で決まる。

仕事の問題は物理の全分野に関わる大切な項目です。確実にマスターして次のステップに進みましょう♪(^O^)

コメント

タイトルとURLをコピーしました