ウルトラ先生の「力の図示」徹底解説！

1.2 力の図示 (Force Diagram) ってどうやるの？ ～矢印で力をVisualizeしよう～

力の図示って、いったい何？ なぜ大切なの？

前のページで、力には「作用点」「大きさ」「向き」の3つの要素があることを学んだね。 力の図示 (Force Diagram) というのは、この3つの要素を、たった1本の矢印 (Arrow) を使って、目で見て分かるように表現することなんだ。 まるで、目に見えない力を「見える化」する魔法みたいだね！

「でも、どうしてわざわざ図に描くの？」って思うかもしれない。力の図示には、こんなにたくさんのメリットがあるんだよ。

• 状況がスッキリ整理できる！：複雑な問題も、どんな力が働いているかを図にすることで、頭の中がクリアになる。
• 力の見落としが減る！：図に描いていくことで、「あ、この力も考えなきゃ！」と気づきやすくなる。
• 考えを伝えやすくなる！：自分がどう考えたかを図で示すことで、先生や友達にも説明しやすくなるよ。
• 次のステップに進みやすくなる！：正しく力が図示できれば、運動の法則（運動方程式）を使って計算したり、力のつり合いを考えたりする準備が整うんだ。

つまり、力の図示は、物理の問題を解くための「最強の武器」の一つなんだ！ これから、その使い方をマスターしていこう。

力の矢印の描き方：3つのルールを覚えよう！

力の3要素を1本の矢印で表現するためには、守ってほしいルールが3つあるよ。 これはとっても重要だから、しっかり頭に入れてね！

ルール解説と具体例

言葉だけだと難しいかもしれないから、具体例と一緒に見ていこう！ 例えば、床の上にリンゴが置いてある状況を考えてみよう。

図1：床に置かれたリンゴに働く力 (想像図)

このリンゴには、少なくとも2つの力が働いていると考えられるよ。 一つは、地球がリンゴを下に引っぱる重力。もう一つは、床がリンゴを上に押し返す力（これを垂直抗力って言うんだけど、詳しくはまた後でね）。

• 作用点：重力はリンゴ全体の中心（重心）に働くと考えることが多いよ。床が押す力は、リンゴと床が接している面に働くね。矢印の根元は、それぞれの作用点に置くんだ。
• 向き：重力は真下向き。床が押す力は真上向き。矢印の先が、その向きを示すように描こう。
• 大きさ：もしリンゴが床の上で静止しているなら、重力と床が押す力は同じ大きさになるんだ（これも後で詳しく！）。だから、矢印の長さも同じくらいにするのがいいね。「力が2倍なら矢印の長さも2倍」というように、力の大きさに合わせて矢印の長さを変えるのがポイント。これを「比例させる」って言うんだ。
  最初のうちは、正確な長さにこだわりすぎなくても大丈夫。「こっちの力の方が大きいな」と思ったら、矢印を長めに描く、という感じで相対的な関係が分かればOKなことも多いよ。

このように、たった1本の矢印に、力の3つの情報がギュッと詰まっているんだね！

力の図示をするときの、はじめの一歩

実際に力の図示を始めるとき、何から考えればいいかな？ 大事なポイントがいくつかあるよ。

1. 注目物体を決める！：「どの物体に働く力を考えるのか？」をハッキリさせよう。これを注目物体 (Object of interest) とかFocus object と呼ぶよ。例えば、「リンゴに働く力」なのか「床に働く力」なのかで、描くべき力は変わってくるんだ。
2. 物体に働く力を「すべて」見つけ出す！：注目物体が決まったら、その物体にどんな力が働いているのかを、漏れなく探し出す。これは練習が必要だけど、コツがあるから大丈夫！（次のページから詳しく見ていくよ）
3. それぞれの力について矢印を描く！：見つけ出した力一つ一つに対して、さっきの3つのルール（作用点・向き・大きさ）に従って矢印を描いていこう。

特に「注目物体を意識する」ことは、混乱しないためにすごく大切だよ！

【練習】矢印の描き方に慣れよう！

下の図に、指示された場所に、指示された向きと大体の大きさで力の矢印を描いてみよう。 まだ力の種類は気にしなくてOK。矢印の「始点」「向き」「長さ」を意識して描く練習だよ。 （このアプリでは、クリックした場所が始点になり、そのままドラッグすると矢印が描けるよ。）

次は？

力の矢印の描き方の基本ルール、分かったかな？ 作用点・向き・大きさを意識して、矢印を描く練習をしてみてね。

「じゃあ、どんな種類の力が実際に存在するの？」という疑問が湧いてきた頃じゃないかな？ 次のページからは、いよいよ物理の世界でよく登場する基本的な力（重力、垂直抗力、張力など）について、一つ一つ詳しく見ていくよ！ それぞれの力がどんな特徴を持っているのか、一緒に探っていこう！