物理基礎の力学�H（摩擦力）

１．導入

前回は力のつりあいの復習をしました。 今日は摩擦力です。中三のときには，適当に値をあげて計算しただけですが， ここでは，もう少し詳しく話します。

２．摩擦力

まず，次の質問に答えてください。

　

生徒の予想：
(1)　○･･･7人，×･･･35人
(2)　大きい･･･4人，同じ･･･多数，小さい･･･1人
(3)　○･･･24人，×･･･18人
(4)　○･･･21人，×･･･21人

本当は実験をすべきですが，時間がないので， 考えていきましょう。

まず，「(1)摩擦力は一定か」ですが， こうやって床に本を載せて，水平に引っ張る。 私が1[N]の力で引いても本は静止していました。 摩擦力はいくらですか？
生徒：「1[N]」
そうですね，2[N]で引いたら？
生徒：「2[N]」
3[N]，4[N]，5[N]。
生徒：「３，４，５!」
ですね。ということは，「静止摩擦力の大きさは一定ではない！」
つまり，静止摩擦力は力のつりあいから求めるしかない。

そして，さらに引く力を大きくしていくと動きだす。 例えば，いま5[N]までは静止している。でも5[N]をちょっと超えたところで動き出す。 このとき，この5[N]のことを「最大静止摩擦力」 といいます。

次に，「(2)動摩擦力と最大静止摩擦力はどちらが大きいか？」です。
何か重いものを押すことを考えてください。 だんだん押す力を大きくしていく。あるところで動き出す。 この直線の大きさを最大静止摩擦力という。 これを超えると，つまり，一度動き出すと， 割とスーッと動くでしょ？ 例えば，机とか動いているときのがスーッと。
生徒：「あー」（とわかってくれた生徒ともいればわからない生徒もいる）
つまり，最大静止摩擦力よりも動摩擦力の方が小さい！

ここまでをグラフで表すと，次のようなグラフになります。

では，「(3)動摩擦力は速さによるかどうか？」ですが，
答えは「△」です！
生徒：「えー」
まあまあ，あのね，厳密に速さによらないかどうかは微妙なところなんだよ。 高校生としては正解は「×」で，動摩擦力は速さによって変わらない
と考えておいてください。概ねそうなっている。

最後の「(4)摩擦力の大きさは面積が大きい方が大きい」ですが，
答えからいうと「×」。摩擦力の大きさは面積によって変わりません。
これはね，私が黒板に触っていますが，どれだけの面積が触っていますか？
手の平の面積だよね，ふつう。 でも，本当に触れている面積（真実接触面積とよびます）は，どれくらいですか？ だって，黒板もつるつるに見えてもミクロのレベルでいったら凸凹している。 私の手だって指紋もあるし，もっと小さいレベルでもボコボコしている。 本当に触れているのはわずかでしょ？

この真実接触面積は本を縦に置いても横に置いてもほぼ変わらない。 摩擦力というのは，実際に接触している床と本が力をおよぼし合って発生する。 だから摩擦力の大きさは真実接触面積には比例する。 だけど，みかけの本の面積には関係がないということなのです。

しかし，どうやったら真実接触面積が大きくなる？
生徒：「重くする」
そうだね，例えばもう1つ本を上にのせれば摩擦力も大きくなる。 それはいいのだけど，じゃあ，こうやったら？（といって，上から本をグッと押さえる）
この本の重さ，つまり重力は変わっていないでしょ。 それも変わったものがある。そうですね。
垂直抗力です！
垂直抗力が大きくなると，真実接触面積が大きくなり， 摩擦力も大きくなる。よって，最大静止摩擦力と動摩擦力は垂直抗力に比例します。

３．摩擦力の問題演習

(1)の答えは49[N]ではないですよ！
そんな状況はおかしいでしょ！
右に20[N]で引っ張ったら，左に49[N]で引かれるって， 物体を引っ張ったら反対向きに動いていくってことだよ！
でもね，これが文字式だとわからなくなるから注意してね。

４．まとめ

今日は摩擦力を学習しました。次回は再度に問題演習をやって， 期末考査です。しっかり復習をしておいてください。

授業を終えて。。。
・実験を行おうと考えていたが，時間数が足りない。 実験も完成されていないので，誤概念を与える恐れがあったので中止した。 もっと体験的に理解できるように実験を考えなければならない。
・やはり生徒は「重さ」（慣性？）と「摩擦力」を混同しているようである。 それは摩擦力が垂直抗力に比例するのだから当たり前であるが， 加速のしにくさとも入り交じった状態である気がする。

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