力とは何でしょうか

1ニュートンは、手に持った小さなリンゴに働く重力ほどの大きさです。

押す力と引く力

日常でいう力は、押したり引いたりする働きです。ドアを押す、引き出しを引く、球を蹴る、壁に寄りかかるときに力が働きます。物理では、物体の運動や形を変えうるものを力といいます。動かし始めたり止めたり、速さや向きを変えたり、押しつぶしたり引き伸ばしたりします。力は必ず二つの物体の間で働きます。手がドアを押し、地球がリンゴを引き、道路がタイヤを押します。相手の物体を挙げられなければ、本当の力を見つけていないかもしれません。

接触が必要な力もあります。箱と床の間の摩擦力、ロープの張力、体を支える床の押す力、空気や水の抵抗などです。床の押す力は面に垂直に働くため、垂直抗力といいます。一方、重力、電荷の間の電気力、磁石の間の磁力は、何もない空間を隔てても働きます。太陽の重力は、ほぼ空っぽの1億5000万キロメートルの空間を越えて地球に届き、地球を軌道上に保ちます。

力をニュートンで測る

力の単位は、アイザック・ニュートンにちなんだニュートン（N）です。1ニュートンは、質量1 kgの物体に1 m/s²の加速度を生じさせる力なので、1 N = 1 kg·m/s²です。抽象的に聞こえますが、日常でも感じる小さな力です。約100 gの小さなリンゴに地球で働く重力は約1 Nです。1 kgの砂糖の袋を支えるには約9.8 Nの力が要ります。荷物の重さを量るようなばねばかりは、力を直接測ります。ばねは引く力に比例して伸びます。

力は矢印として足し合わせます

力はベクトルなので、向きも大切です。二人が台車を同じ向きに30 Nと20 Nで引けば、合計は50 Nです。逆向きに引けば、合計は30 − 20 = 10 Nで、強く引く側へ向かいます。物体に働くすべての力を合わせたものを合力といいます。直角に働く力は、直角三角形の辺として足し合わせます。東向き3 Nと北向き4 Nなら、三平方の定理によって北東向き5 Nになります。

物体に働く力が打ち消し合うと、合力はゼロになり、力がつり合っているといいます。机に置いた本がよい例です。重力が下へ引き、机が同じ大きさの力で上へ押します。綱引きでどちらも動かないときは、両チームが数百ニュートンで引いていても、綱に働く合力はゼロです。運動を変えるのは、つり合っていない力です。次の単元でニュートンの法則を使って説明します。

力の図

物理では力の図を使って力を整理します。物体を箱や点で描き、そこに働く力を一つずつ矢印にします。矢印は物体から始め、力の向きに描きます。長さは力の大きさを表します。床の上で押されている箱なら、矢印は四つです。下向きの重力W、上向きの垂直抗力N、押す力F、そして運動と逆向きの摩擦力fです。