物理とは縁の無い一般人ですが・・

質問

とある直方体の物体があるとします。
この物体を地面の上で水平方向に前後に連続して動かす場合に、
この物体が、地面に対して水平か垂直か、また前方に対して縦向きか横向きかなど、
向きや角度によって物体にかかる抵抗といいますか、
動かすのに必要な力というのは違うのでしょうか？
また違う場合どのように違うのでしょうか？
なるべく専門用語無しでお教え頂けると幸いです。
またこういったことを計算する方程式などがあれば、その存在だけでも教え頂けると有り難いです、
宜しくお願い致します。

回答No.5

noname#175206 · ベストアンサー

お礼、ありがとうございます。
　運動には、真っ直ぐ進む並進と回転があります。
　きちんと重心を突いて動かすイメージだと回転しません。指先一本で突くような感じですが、このときは、形状に関係しません。これが基本です。このときは、物理学でそういう問題を扱うときにする「質点」で考えることができます。質点は質量はあるが大きさが0の物体です。
　回転を入れると形状次第。重心から外れたところをしっかり握って、も形状次第です。イメージできますか？

お礼

並進運動と回転運動ですね。
ネットで調べてみるとおっしゃる通りたくさんでてきました、あと質点も。
重心のことなど、今回の件で調べてみないといけないポイントを
一番ついているように思いましたが、イメージが難しいデスネ＾＾；。
お送り頂いた解説によると、今回はおそらく並進運動で考えるべきかとは思いますが、
解釈するには相当な時間がかかりそうです・・
とにかく、形状では左右されない、質点で考える余地があるということでしょうか。
がんばってみます＾＾。参考になるご回答を頂き本当にありがとうございました。

回答No.6

tetsumyi

この問題は実際には学校での物理の計算と一致しないのが普通です。
物体と地面の表面が硬いのか柔らかいのか、ざらざらなのか、滑らかなのか等の条件で結果はずいぶん変わってきます。

いつも同じ所を同じものが削れないで滑るような場合は面積が小さい方が抵抗が小さくなるようで特許でもこのような設計が通常認められているようです。
ざらざらで削られるような場合、食い込みが小さく削られる量が少なくなる置き方、つまり面積が大きい面を下にした方が抵抗は小さくなります。

仕事で動かす場合、物理的には地面の上に直接置いて動かすことは無駄な力が必要ですからお勧めできません。
転がり摩擦はすべり摩擦に比較して圧倒的に小さいので転がり摩擦になるようにコロや台車を使う等の方法が普通に使われます。
機械ではベアリングを使うか滑らせる場合はオイルを流し込んで最低限の抵抗にしているということになります。
また、重い物体を限られた平らな面で自由に動かしたい場合は平らな面に小さい穴を無数に開けて空気を送り込んで浮かせて動かすと言う手法が古くから使われています。

お礼

より実用レベルに近づいた視点でのご説明ありがとうございます。
摩擦の起きる面についてのお話ですね。内容はざっくりとですが理解できました。
コロや空気穴など、思い当たる部分もあっておもしろいです。
今回は直方体（操作する部分とでも言いましょうか）の向きや角度によって、
抵抗や摩擦が変わるかということが疑問だったのですが、
またぜひ何かの参考にさせて頂きたいと思います。有難うございます。

回答No.4

noname#175206

なるほど、物理学とはあまりご縁がなかったのでしょうか。ご謙遜かもしれませんが、そのつもりで回答してみます。
　まず物理学がやるのは「余計なものを取っ払う」ということです。物体の運動は複雑です。これをできるだけ単純に考えるようにします。
　まず空気抵抗（または空力抵抗）が邪魔です。これがないとして考えることにします。つまり空気抵抗0の真空です。
　水平に動かすには、床などの摩擦力が働きますね。これも当面邪魔です。ないものとして考えることにします。摩擦力0です。
　重力も邪魔です。これもないことにして考えることにします。つまり無重力です。ちなみにエンジンを切って飛んでいる宇宙船（地球を回るスペースシャトルなど）とかがこの状態ですね。正確には無重量状態といいますが、とりあえず深く考えなくていいです。

　これで考え始める準備はできました。
　どうしても取っ払えなかったもの、それは「慣性」です。真空で無重力という理想的な実験環境でも物体に属する性質、「重いものほど動かすには力が要る」が残ります。
　これを表す式が高校物理で言えば F=ma です。Fは力、mが物体の質量、aが物体の加速度です。大学以降では、aは微分の形で表されますが、とりあえず考えなくていいでしょう（ただしその「微分方程式」の意味するところは、ものすごいものとなります）。
　物体に力を加えれば、それは物体が加速度を持ち、その加速度は物体の質量が大きければ小さくなり、質量が小さければ加速度は大きいことが分かります。もうこれだけしかありません。加速度が生じれば速度が生じます。いったん速度を得れば、どこまでもその速度で進んでいくことも分かります。なにせ、何もそれを邪魔しないのですから。

　後は、現実の条件に従い、少しずつ省いた要素を戻していけばいいです。重力を加えれば、物体を支えていなければ落下することが分かります。次に空気抵抗を戻せば、たとえば落下するにしても、ゆっくりになることが分かります。さらに摩擦力を戻せば、平らな地面か床に置いたものでも、動かし続けるには力が必要だということになります。

　これらの条件を戻していく過程で重要なのは、これらは全て足し算という単純な操作でよいのだ、ということです。これを重ね合わせともいいます。

補足

ご回答ありがとうございます。
そう考えると物理もおもしろいですね、大変興味をもって読ませて頂きました。「空気抵抗」、「摩擦」、「重力」、「慣性」ですね。
おそらく自動車や飛行機などを設計される方はそのへんを十分に考慮されてるんでしょうけども、
例えばですが、手作業で使うような簡単な道具の場合ですと、、
実際のところ変化をつけてもあまり差が無いというのが事実でしょうか？・・
ちなみに、200グラム程度の直方体を同じ重さの三角おにぎりのような形（←三角柱でいいんでしょうか^^；？）に変えた場合、動かすのに必要な力に変化は出てくるのでしょうか？・・
せっかくいろいろお教え頂いたのに、原点に戻るような質問で申し訳ありません・・
自分でも一度計算してみますが、もしよければ一言だけお返事頂けると有り難いです。

回答No.3

cliomaxi

>「垂直の場合、持ち上げる」という部分が気になりましたので・・・

地面の垂直方向は上に上げるか、下に潜るかのどちらかです。
つまり、あなたが考えているのは平面＝XY軸なのだと思いますが、垂直が加わると立体=XYZ軸になるという事です。
図で云うとこんな感じ。
http://members2.jcom.home.ne.jp/hide-nakajima/blog/kaitenntai111.jpg

だから前回の回答で「ベクトルの表現が変だ」と書いたのです。

お礼

そうですよね。
返事をしてからどうもちぐはぐな返事をしたなと後から思いました＾＾；。
こちらの質問の意図が伝わりにくかったら申し訳なかったです。
ただ、あくまで水平方向に動かしたいのです（もちろん3次元でイメージしています）。
物体を垂直に立てた状態で水平方向に動かすか、
水平に寝かせた状態で水平方向に動かすか、
のつもりだったのですが。。
ご紹介頂いたサイトを軸に、
今後もいろいろと参考にさせて頂きます、有難うございます。

回答No.2

sanori

こんにちは。

これが不思議なことに、直方体をどのように置いても（ほとんど）摩擦抵抗が変わりません。
私も高校時代に物理で習ったとき、不思議に思ったものです。

結論から簡単に整理しますと、摩擦抵抗というのは・・・
・上から押される力（この場合は直方体の重さ）に比例します。
・ところが地面と接触する面積によって変わりません。

このことは、次のような説明でわかっていただけるかと思います。

三辺の長さが１ｃｍの立方体（サイコロ）があるとします。

まず、
これに糸をつけて引きずるときに必要な力（摩擦抵抗と同じ）を１とします。

次に、サイコロを２個にします。２個それぞれに糸をつけて、１つの手で引きずります。
すると、必要な力は当然２となります。

同じようにどんどん増やして、サイコロの数を２０個にします。
必要な力は２０となります。

次に、２０個を水平に合体させ、４×５の板（４ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍの直方体）にします。
合体させただけで、重さは変わらないし、こする面積は同じなので、必要な力は２０のままです。

以上のことから、地面と接触する面積とはまったく関係なく、直方体の重さだけで摩擦抵抗が変わる、つまり、摩擦抵抗は直方体の重さのみで決まる、ということがおわかりいただけたかと思います。

次に、上記の４×５の板を３枚にして、３枚を重ねます。
すると重さは３倍となります。
すると、重さが３倍になって接触面にかかる力も３倍になるので、（高校で習う法則により）摩擦抵抗は３倍になります。←ここが大事
摩擦抵抗は、上からの力（この場合は直方体の重さ）に比例します。
そして、地面との接触面積は変わりません。
したがいまして、４×５×３　の直方体を動かすのに必要な力は、４×５を動かす力の３倍です。

以上は、まず４×５にしてから×３することを考えました。
しかし、順序を変えて４×３にしてから縦に５段（４×３×５）にしても、３×４にしてから縦に５段（３×４×５）にしても、摩擦抵抗は同じになります。

なお、
「摩擦力は、上からの力に比例する」
を式で書くと、
摩擦力　＝　μ　×　上からの力
となります。
μ（ミューと読みます）は、摩擦係数と呼ばれています。
なぜこのような比例の式が成り立つかは高校では教えないし、私は大学でさえも習いませんでした。

ご参考になりましたら幸いです。

お礼

久しぶりに頭の体操になりました＾＾；。
大変解りやすく説明して頂きよくイメージもできました有難うございます。
つまり物を動かすのに必要な力を決めるのは「摩擦係数」ということになるのでしょうか..
同じ重さのものでも、形や角度を考えることで、動かす際の負担を減らすことができるかと思っていたのですが、それはまた別の話しでしたでしょうか..。
とにかく、摩擦力は上からの力に比例し、その面積によっては特に変わらない
ということをしっかり頭に入れておきたいと思います。
ありがとうございました！

回答No.1

cliomaxi

>地面に対して水平か垂直か

水平移動の場合は地面と直方体の摩擦係数が関係しますが、垂直の場合「持ち上げる」ことになります。
比較するには条件が揃いません。

>また前方に対して縦向きか横向きかなど・・・

どっちも同じです。
但し、地面がヤスリのように目の方向があれば当然流れに直角の方が抵抗は大きいです。

「慣性の法則」とか「摩擦係数」とかでも検索してみてください。
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/chikara.html

※水平や垂直、前後、横などの方向(ベクトル)の表現がちょっと変に感じます。

お礼

早速ご回答を頂き大変嬉しいです。
「垂直の場合、持ち上げる」という部分が気になりましたので、
また自分でも調べてみたいと思います。
検索用語とかも参考になりました。
有難うございます！