力学に関する質問です。

質問

力学を自学自習しています。参考書は、渡辺久夫『親切な物理（上）』（復刻第5版　2006　ブッキング）を使っています。
この19頁から20頁にかけて次のような問題があります。「糸に石をつるして指で支えるとき、石、糸および指が受ける外力を示せ。（以下略）」解答に、
「石が受ける外力は、1,石が地球に引かれる力、2,石が糸に引かれる力。
糸が受ける外力は、1,糸が石に引かれる力、2,糸が地球に引かれる力、3,糸が指に引き上げられる力。
指に働く外力は、1,指が糸に引かれる力。」（本文を少々まとめました）とあります。

私の疑問点は、石と糸とが受ける外力に「地球に引かれる力」があって、指に働く外力に、なぜ「地球に引かれる力」が無いのか、ということです。

この参考書を使って勉強された方、力学の得意な方、教えて下さい。お願いします。

回答No.6

htms42

「指に働く力は？」という問いは不適切だと思います。

物体の運動を考える場合、まず着目する物体を明らかにします。次にその物体に働いている力を数え上げます。
これがあいまいであると運動方程式を立てることが出来ません。
動いている場合でも止まっている場合でも同じです。
この問題では外部環境を不用意に系の中に取り入れるような問いを出しているということです。
外部環境は力学的な考察の対象にはなっていません。力学的な系の運動を実現させるための条件を作っているだけです。
「指に働く力は？」という問いを立てれば指も力学的な考察の対象になってきます。石と糸と指の３つの系を考えている事になります。
外部環境としての指のかかわり方を問いたいというのであれば問いの表現を変える必要があります。

よく作用・反作用の法則の説明で「押したら押し返される」という人との感覚を利用したものを見ます。人の立場に観察者、外部環境、力学的な系の要素が混じっていることになります。力学的な系を設定して、系の要素の間に働く力として作用・反作用を考えないと混乱します。系と外部環境とは区別する必要があります。この問題でもその混乱が出てきてしまったのだと思います。

回答No.5

BookerL

> 石と糸とが受ける外力に「地球に引かれる力」があって、指に働く外力に、なぜ「地球に引かれる力」が無いのか

　「親切な物理」はいい本ですね。
　今手元にないので、ご指摘の部分を見ているわけではないのですが、ご質問の通りだとすると、解答の「漏れ」といえるかも知れません。指にも当然重力は働きます。

　なぜ「指に働く重力」が漏れたかというと、この問題の主眼が「糸につるされた物体」に働く重力と張力をきちんと見分けるところにあったからだと思います。
　だから、「石」と「糸」についての力は漏れなく挙げてありますが、「指」は、出題者の頭の中では「糸を支える働き」としての存在であり、質量を持った物体とは意識されていなかったのでしょう。

　では、解答が間違いかと言えば、そうともいえません。糸につるされたおもりに働く力を考えるとき、糸を支えるものが必要で、たまたま「指」が出てきたわけですが、「天井」でもよかったわけです。つまり、「指」にしても「天井」にしても、ここで出てきたのは「質量を持った物体」という意味ではなく、「糸を支える物体」という意味で出てきているからです。

　現在主眼としている問題に無関係なものは、とりあえず無視しておく、というのは普通に行なわれます。例えばこの問題にしても、石に働く力として「空気による浮力」などもあるわけですが、そういうことを問題にしているのではなく、あくまで「糸につるされた物体」という状況で、重力と張力をきちんと意識できるか、を問題にしているのでしょう。

回答No.4

tono-todo

面白い

Ａ１，３の方の言うとおりです。
指に働く地球の引力は指が根本から離れない限り、引力と向きが反対で同じ大きさの力（筋肉による）で打ち消しあっているので、無視しているのでしょう。
しかし、かなり根源的な質問ですので学校の先生がどう説明されるのか興味あります。

回答No.3

chiezo2005

単純に指の引力を無視して考えているだけだと思います。
石と糸までが考える対象で指は単なる固定点ということでしょう。
たぶん，「指に働く重力」を入れても間違いではないと思います。

指に働く外力としては正確には，
「糸」，「指に働く重力」，「指に働く筋肉の力」となって
話がややこしくなってしまいます。

もっと細かく考え出すと，石，糸，指には大気からの浮力が働いていますしね・・・
重力も地球だけでなく，太陽，月・・・・。

参考書の練習問題というのは簡略化している場合が多いものです。

回答No.2

yuyatanaka

参考書は持ってませんが、それはヘンですね。

普通は、糸や指など、曖昧であったり小さすぎるなど、問題上都合が悪い質量は「無視できる」とされているかと。
「ただし、糸の質量は無視できるものとする。」などとはっきり書かれていることが多いです。

回答No.1

rukuku

はじめまして

その参考書は使ったことはないのですが、ご質問には回答出来ます。

＞指に働く外力に、なぜ「地球に引かれる力」が無いのか
この力は確かに存在しています。そしてその力を指、腕、肩、その他全身の筋肉で支えています。

この参考書では、見落としたか、問題を単純化するためにあえて無視したかのどちらかだと思います。