垂直抗力とは?
垂直抗力とは、物体が接している面から、その面に対して垂直方向に押し返してくる支える力のことです。物体が床をすり抜けて落ちたり、地面にめり込んだりしないのは、この力が支えているからです。水平な面では、垂直抗力は物体の重さ(重力)とちょうど釣り合います。一方、斜面の上では、重さのうち面に垂直な成分だけを支えればよいため、垂直抗力は水平面のときよりも小さくなります。
この計算ツールの使い方
物体の質量をキログラム(kg)で、重力加速度(地球上では 9.81 m/s²)を、そして斜面の角度を水平からの度数(度)で入力してください。水平な面の場合は角度を 0 のままにします。計算結果として垂直抗力がニュートン(N)で表示され、比較用に物体の重さもあわせて確認できます。
計算式の解説
斜面上の垂直抗力は $$N = m \cdot g \cdot \cos(\theta)$$ で求められます。ここで \(m\) は質量、\(g\) は重力加速度、\(\theta\) は斜面の角度です。物体の重さ \(m \cdot g\) は真下向きにはたらきます。この重さを斜面に平行な成分と垂直な成分に分解すると、垂直な成分が \(m \cdot g \cdot \cos(\theta)\) となり、これが面が押し返さなければならない力です。\(\theta = 0\) のときは \(\cos(0) = 1\) となるため、式は \(N = m \cdot g\) に一致します。
計算例
重力加速度 \(g = 9.81 \text{ m/s}^2\) として、30° 傾いた斜面に 10 kg の箱を置いた場合を考えます。重さは $$10 \times 9.81 = 98.1 \text{ N}$$ です。垂直抗力は $$98.1 \times \cos(30°) = 98.1 \times 0.8660 \approx 84.96 \text{ N}$$ となります。面が傾いているため、垂直抗力は重さ 98.1 N をそのまま支えるよりも小さくなります。
よくある質問(FAQ)
垂直抗力はいつも重さと等しいのですか? 等しくなるのは、ほかに鉛直方向の力がない水平な面の場合だけです。斜面では \(\cos(\theta)\) の分だけ小さくなります。
計算結果の単位は何ですか? ニュートン(N)です。SI 単位系における力の単位です。
水平な床のときは角度を何度にすればよいですか? 0 度を入力してください。これにより \(N = m \cdot g\) となります。