1.3.3 張力 (Tension) ～糸 (String)やロープ (Rope)がピンと張る力～
張力って、どんな力？
みんなは、綱引きをしたり、犬の散歩でリードを引っぱったり、天井からぶら下がっている照明を見たりしたことがあるかな？ これらの場面で活躍しているのが、張力 (Tension) なんだ。
張力というのは、糸 (String) やロープ (Rope)、ケーブル (Cable)、鎖などがピンと張った状態で、その両端につながれた物体や、糸の途中にある物体を引く (Pull) 力のことだよ。
図1：綱引きでは、ロープに大きな張力が働いている。
ここで大事なのは、張力は必ず「引く力」だということ。糸やロープで物を押すことはできないよね？ 糸がたるんでいたら、張力は働かないんだ。
高校物理では、多くの場合「理想的な糸 (Ideal string)」というものを考えるよ。これは、
- 糸の質量が無視できる（とっても軽い！）
- 糸が伸び縮みしない
という特別な糸のこと。現実の糸とは少し違うけど、こう考えることで問題をシンプルに捉えることができるんだ。
張力の3要素：どこに、どっちへ、どれくらい？
張力の「作用点」「向き」「大きさ」はどうなるか、詳しく見ていこう！
1. 張力の作用点：どこに働く？
張力の作用点は、糸やロープが物体に結びついている点だよ。 もし、糸の途中に働く力を考える場合は、その糸の断面を作用点と考えることもあるんだ。
図2：張力の作用点の例 (赤い矢印の根元が作用点)
2. 張力の向き：どっちの方向？ 糸に沿って引く向き！
張力の向きは、常に糸やロープに沿って、物体を引っぱる向きだよ。
- 天井から吊るされたおもりの場合、おもりに働く張力は糸に沿って上向き。
- 糸の一方の端を引っぱると、糸のもう一方の端につながれた物体も同じ向きに引かれるね。
- 滑車 (Pulley) を使うと、糸の向きを変えることができるけど、張力は常に糸に沿って働くよ。
図3：張力の向き (赤い矢印 T)
3. 張力の大きさ：どれくらいの強さ？ 状況によって変わる！でも大事な性質が！
張力の大きさも、垂直抗力と同じように、簡単な式でいつでも決まるわけではなく、状況によって変化するんだ。 多くの場合、力のつりあい (Equilibrium) や運動の法則（運動方程式）を考えて決めることになるよ。
でも、張力にはとっても重要な性質があるんだ。それは、「理想的な糸（軽くて伸び縮みしない糸）」を考えているとき…
- 一本の糸の途中では、張力の大きさはどこでも同じ！
- 質量が無視できる滑らかな滑車 (Pulley) を介して糸がつながっている場合、滑車の両側の糸の張力の大きさは同じ！（滑車は糸の向きを変えるだけ）
これは問題を解く上でめちゃくちゃ使えるテクニックだから、しっかり覚えておこう！ 図2の右側の例で、物体1を引く張力Tと物体2を引く張力T'（本当はこれもTと同じ大きさになる）は、糸が同じなら同じ大きさになるんだ（作用・反作用の関係もあるけど、ここでは「一本の糸」という点に注目）。 図3の右側の例で、おもりを引っぱり上げている張力と、手で引いている部分の糸の張力は（滑車が理想的なら）同じ大きさになるんだよ。
【例題】質量 1kg のおもりを、天井から軽い糸で吊るして静止させた。このとき、糸がおもりを引く張力の大きさ T は何Nかな？ ただし、重力加速度の大きさを $g = 9.8 \text{ m/s}^2$ とするよ。
【考え方】
おもりは静止しているので、上下方向の力はつり合っていると考えられるね。
おもりに働く鉛直下向きの力は重力 $W = mg$。
$W = 1 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 = 9.8 \text{ N}$。
おもりに働く鉛直上向きの力は糸の張力 $T$。
力がつり合っているので、$T = W$ となるはずだ。
【答え】9.8 N
張力の図示に挑戦！
張力の性質、特に「向き」と「一本の糸なら大きさは同じ」という点に注意しながら、図示する練習をしてみよう！ 下の図の物体たちに働く張力を、矢印で描き込んでみてね。 （このアプリでは、物体と糸の結び目あたりをクリックして、糸に沿って引かれる方向にドラッグすると矢印が描けるよ。）
物体に働く張力の矢印を描いてみよう。糸に沿って引く向きだよ！
- 左：天井から吊るされた青いボールに働く張力
- 中央：水平な床の上で、右向きに糸で引かれる赤い箱に働く張力
- 右：滑車を介して、緑の重りと黄色の重りが糸でつながれている。それぞれの重りに働く張力を描こう。（糸は一本だよ！）
張力はいろんな場面で大活躍！
張力は、物体を吊り下げたり、引っぱったり、連結したりと、物理の問題では本当によく登場する力だよ。 特に複数の物体が糸でつながれている場合や、滑車が出てくる問題では、張力の性質を正しく理解しているかが鍵になることが多いんだ。
重力や垂直抗力、そしてこれから学ぶ他の力と組み合わせて、複雑な状況でも正確に力の図示ができるように練習していこう！