力と運動の関係を斜面を使って考えよう！
立っている状態で、後ろから誰かに押されるイメージをしてみてください。
当然体が前に進みますよね。体が進んだ後も後ろから押され続けたとしたら、だんだんとスピードが出きます。
このように、物体に力を加え続けると物体の速さは大きくなります。例えば、自転車をこぎ続けると加速していくのと同じですね。
斜面に置いた物体は、滑って落ちていきます。これは、物体が地球の重力によって力が加えられているからです。
今回は、摩擦のない２つの角度が違う斜面に物体を置いて、その運動の様子を記録タイマーを使って調べました。結果は、下のようになります。
斜面に物体を置いた時、重力を分解した分力が物体にはたらきました。そして斜面に沿った分力の大きさは斜面の角度が大きいほど、大きくなりました。
記録タイマーの結果からもわかる通り、斜面が急で、台車を動かす力が大きいほど速さの上昇の割合も大きくなります。
この速さの上昇はグラフを見るとわかりますが、一定の割合で大きくなっています。
力が加わった分、その力の大きさに比例して、物体の速さが大きくなっているわけですね。力の大きさに比例するので、斜面の傾きが大きいほど、速さが上昇する割合が大きいというわけです。
自由落下運動
空中にある物体を手放すと、下に落ちていきますよね。これはもちろん重力のせいです。
物体が重力の力だけを受けて、落下する運動を自由落下運動といいます。
自由落下運動は、斜面上の運動と同じように、速さが一定の割合で大きくなる運動です。下のイラストでみると自由落下運動は斜面の角度が９０°の時の運動と同じと考えることができます。
そう考えると、斜面に沿う分力が最も大きいと言い換えられますね。つまり、自由落下運動は、最も速さが上昇する割合が大きい運動といえます。
ガリレオが行ったピサの斜塔の実験
ガリレオはイタリアにあるピサの斜塔という5.5°(当時)ほど傾いた塔のてっぺんから２つの質量の違う２つの球を落としました。
どちらの球が先に地面に着いたでしょうか？
重さが違うので、重い球のほうがはやく落ちる気がしますが、結果はほぼ同時に地面に着きました。
この実験から自由落下運動の速さは物体の質量によらず、同じ速さで運動することがわかりました。
ただし、自由落下運動は重力以外の力を受けていない状態の運動なので、実際には空気抵抗を受けてしまうので、速さは変わってしまいます。
空気を抜いて真空にした筒の中で、筒をひっくり返して、羽と金属球を同時に落下させると、２つの物体は同時に筒の底につきます。
ちなみに、重い物体でも速さが同じになるのは、重い物体ほど動かすのに力が必要になるからです。重たいものを動かそうとすると力がいりますもんね。
まとめ
力を加え続けると、速さが一定の割合で大きくなる
重力だけが物体にはたらいて、落下する運動を自由落下運動という
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