【中学理科】仕事の原理とは何か？詳しく解説！

このページでは中学３年生で学習する「仕事の原理」について詳しく解説をしていきます。

について知りたい人は、このページを読めばバッチリだよ！

うん。よろしくね！

それでは「仕事の原理」の解説スタート！

仕事の原理とは

まずは「仕事の原理」とは何かについて説明するね。

「道具を利用しても、物体を持ち上げるための仕事の量は変わらない」これを仕事の原理というんだよ。

仕事の原理とは

「道具を利用しても、物体を持ち上げるための仕事の量は変わらない」こと

仕事の原理の例として挙げられる道具には

などがあるよ。それぞれ詳しく解説をしていくね！

滑車を利用した仕事

まずは滑車を利用した仕事について考えていこう。

仕事を求める公式は

仕事【J】＝　力の大きさ【N】　×　 力の向きに移動した距離【ｍ】

だね。仕事について確認したい人はこちらの記事も読んでみてね！

では、滑車を利用した仕事について考えていこう。滑車には

の２つの使い方があるんだよ。それぞれ特徴を見ていこう。

定滑車とは

まずは「定滑車」という使い方を見ていこう。

うん。定滑車の「定」は「固定」という意味だよ。

つまり、天井などに固定して使う滑車を「定滑車」というんだね。

定滑車には、力の向きを変えるはたらきがあるんだよ！

下の図を見てみよう。

普通1000ｇの荷物を持ち上げるには、上向きに10Nの力で引っ張らないといけないね。

（質量100ｇの物体にはたらく重力は1Nだから）

だけど定滑車を利用すると、横や下に力を加えて、物体を上に持ち上げることができるようになるんだ。

横に力を加えて、物体を上に持ち上げているね。

ちょっと昔の話だけど、最も身近に定滑車が利用されていた例は井戸だね。

地下から水をくむのに、上に持ち上げるのは大変だけど、定滑車を使えばひもを下に引っ張ることで、バケツを上に持ち上げることができるね。

このように、定滑車で力の向きを変えることで、楽に作業をすることができるんだね。

動画で確認してみよう。

30cmおもりを持ち上げるには、30cmひもを引かなければならないよ！

まとめ

定滑車 → 固定されている滑車。動かない。

力の向きを変える。ただそれだけの道具。

1m物体を持ち上げるためには1mひもを引く。
持ち上げるのに必要な力も変わらない。

動滑車とは

続いては動滑車について確認をしていこう。

動滑車は、固定されていない、動く滑車だよ！

動滑車は定滑車とは全く異なる特徴を持つよ。

まず、動滑車は物体を上に持ち上げるとき、ひもを上に引っ張らないといけないんだ。

うん。そういうことだね。その代わり、動滑車には、次の2つのはたらきがあるんだ。

動滑車には「物体を持ち上げるのに必要な力を半分にする」はたらきがあるよ。

図をよく見てごらん。

荷物を支えるのに、2本のひもで支えているね。

このため、自分が引く力は半分でいいんだね！

本当だね。だけど動滑車にも欠点があるんだ。それは、力が半分になるかわりに、動かす距離は２倍になる。

ということなんだ。

動画でも確認してみよう。

そうなんだ。

一度まとめよう。

動滑車

物体を持ち上げるのに必要な力は半分になる

物体を持ち上げるのに必要な距離は２倍になる。

このようになるんだね。

滑車と仕事の原理

では、滑車を使った場合と使わない場合での仕事を比較してみよう。

それぞれ、1000gのおもりを3m持ち上げるときの仕事を比較してみよう。

滑車を使わずに持ち上げたときの仕事→ 10N×3m＝60J

定滑車を使って持ち上げたときの仕事→ 10N×3m＝60J

動滑車を使って持ち上げたときの仕事→ 5N×6m＝60J

となったね。

定滑車は力の向きを変えるだけの道具だから、仕事の大きさは変わらないのは当然だけど、動滑車を使っても、仕事の合計は変化しないね。

うん。そういうこと。

このように、道具を利用しても、仕事の量は変化しないんだ。これを「仕事の原理」というんだよ。

仕事の原理

道具を利用して仕事をしても、仕事の量は変化しないということ。

とても大切な考え方だから、必ず覚えておこう。

例えば動滑車を複数使って、物体を動かすのに必要な力を「1/3」「1/4」としても、引く距離が３倍、４倍…。となってしまうんだね。

では続いて、斜面を利用した仕事について考えていこう。

斜面を利用した仕事

続いては、斜面を利用した仕事について考えていこう。

斜面を利用した場合も、仕事の原理の考え方は利用できるんだよ。

斜面を使った場合と、使わなかった場合で、6000g（力になおすと60N）の物体を持ち上げる仕事の量を比較してみよう。

斜面を使わない場合

斜面を使わずに、2ｍの高さまで持ち上げるときの仕事を考えよう。

仕事【J】＝　力の大きさ【N】　×　 力の向きに移動した距離【ｍ】

で求めることができるね。

60Nの力で2ｍ持ち上げているから、このときにした仕事は

60×2=120Jだね！

続いて斜面を利用した場合も考えてみよう。

斜面を使っているから、持ち上げるのに必要な力は少し減っているね。

半分の30Nの力で持ち上げることができるよ。

一方で、2ｍの高さまで持ち上げるには、4ｍも引かなければいかないね。

つまり、このときにした仕事は

30×4=120Jだね。

これは、斜面を使わない場合と仕事の量は変わらないね！

滑車と同じように、斜面を利用した場合も「仕事の原理」の考え方を利用することができるんだね。

てこを利用した仕事

最後にてこを利用した仕事を考えていこう。

下の図を見てみよう。

4kｇの物体を50cm持ち上げているよ。

仮にてこを利用しないとすると、仕事は

40N×0.5m＝20J

だね。

では図のように、てこを利用して仕事をしてみよう。

今回のようなてこを利用すると、必要な力の大きさは半分になるよ。

だけど、動かさないといけない距離は2倍になり、1mとなったね。

このときの仕事を計算すると

20N×1m＝20J

となるね。つまり、てこを利用してもしなくても、仕事の量は変化しないんだね。

まとめ

これで「仕事の原理」の解説を終わるよ。

についてしっかりと確認をしておこう！