滑車と張力①

滑車に働く力の正体

黒豆：滑車の問題を見ているとよくこんな図が出てくるけど、この図に赤色矢印で示されてる力がよく分からないんだよねー。この力について色々調べてみたけど、みんな「糸の張力」ってことしか書いてないよね。でも、張力って「糸が引く力」じゃないの？滑車に糸が繋がってるわけでも無い（糸は滑車に接しているだけ）のにどうしてこの位置に「張力」が働くの？

のた：ん〜、面白い質問だね。よく参考書なんかでの説明の背景として、“糸と滑車との接点で、糸が滑車と繋がってるあるいは固定されている” と考えているんだ。

黒：えぇ〜、でも実際には「くっついてない」よね？どう考えればいいの？

の：じゃあ、もう少し細かく見ていってみよう！

「糸」を考える

の：糸の「張力」って詳しく説明するとどんな力？

黒：糸が引っ張る力のこと。糸の終端で、糸の向きに沿った糸へ引き寄せる力。

の：じゃあ、滑車を考える前に、糸について考えてみよう。糸をたくさんの輪っかが連なった鎖で考えよう。そうすると、糸の「張力」の話は鎖の「輪っか」に働く力を考えることで説明できそうだね。じゃあ、鎖の輪っかに働く力を細かく説明してもらえるかな？

黒：端っこの輪っかが引っ張られると、それに繋がったお隣の輪っかが引っ張られて、さらにお隣へ・・・。これがずっと繋がって、端っこで加えた力が輪っかを通じて別の端っこに伝搬していく。

の：そうだね。ここでは、隣同士の輪っかに作用反作用の力が働いているね。

の：ここで、糸を鎖と置き換えてもこの場合問題ないよね。糸の話に立ち返ると、この輪っかが「糸の微小要素」として考えられ、「微小要素の連結したもの」が糸と言える。なので、糸の微小要素に置き換えて考えてみよう。

黒：・・・糸？さっきの「輪っか」もビミョ〜だったけど。

の：そう。・・・見えない？すっっごく拡大して見た、ふっっっとい糸です！それはともかくとして、上の図に糸の微小要素にかかる力は、「誰からの」「誰への」「どんな」力があるかな？

黒：さっきの鎖に話と同じ関係になるよね。

の：そうだね。そして、この微小要素の間に働く「引く力」が「糸の張力」だね。