理科ラボ

実験道具 / 中学3年 物理

アーチ橋の力の流れ

台形のブロックを並べたアーチで、それぞれのブロックの重力が、となりのブロックや支柱へ向かう力に分かれて支え合うようすを見よう。自分でアーチを組み立てることもできます。

使い方

3ステップ
  1. モードを選ぶ「分析モード」で力のつり合いを調べ、「橋作成モード」で自分でアーチを組み立てます。
  2. 力を表示する「重力を表示」「分力を表示」のチェックで、ブロックごとの矢印を出します。「ブロック注目モード」では1つのブロックだけを見られます。
  3. 動かしてみる右側のブロックはドラッグで動かせます。大きくずらすと、支えを失ってアーチがくずれます。「初期位置に戻す」で元にもどります。

全4ミッション。もちろん、自由に組み立ててもOK。

台形ブロックで作る
アーチ構造
5枚の台形ブロックが、両側の支柱の間で互いに押し合う力で支え合い、1つのアーチ全体を作っています。各ブロックの重力は、隣(または支柱)へ向かう2方向の分力に分けられます。「ブロック注目モード」では、それぞれの分力とその反作用(受ける力)が重力とちょうど打ち消し合うことを確認できます。 右のブロックはドラッグで動かせます。1枚でも大きくずらすと支えを失い、残りの4枚も重力に従って崩れ落ちます。

アプリモード

状態:安定(アーチが成立)

ブロックの枚数

力の見方

各ブロックを1枚ずつ取り出して、重力とそれを支える2方向の分力を見るモードです。端から順に「前の関節の力+そのブロックの重さ」を足し算していく累積計算を使っています。支柱とブロックが接する面は、水平から20°傾けて固定しています。

表示モード

🔴 重力を表示(ブロックごと)

🟡🔵 分力を表示(支え合う力)

🟢 支柱からの力

凡例

重力(下向きの力 mg)
重力の分力(左隣・支柱の方向)
重力の分力(右隣・支柱の方向)
支柱からの垂直抗力

やってみよう

ミッションに挑戦

上から順に進めると、少しずつわかるようになっています。「このミッションを始める」を押すと、ミッションの始めの状態になります。続きは自分で操作しよう。

ミッション 1

重力はどこへ向かう?

すべてのブロックの重力と、その分力を矢印で表示する。

  1. 「重力を表示」の「すべて表示」を押そう。赤い矢印がブロックの重力です。
  2. 「分力を表示」の「すべて表示」を押そう。
  3. 黄と青の矢印は、どの方向を向いている?

見るところ1つのブロックの重力が、どの2方向に分かれているか。

やってみたら開こう:わかること

アーチのブロックの重力は、となりのブロック(または支柱)へ向かう2つの力に分けられる。ブロックどうしが押し合うことで、下に支えがなくても形を保てる。

ミッション 2

1つのブロックに注目しよう

ブロック注目モードで、まん中のブロックにはたらく力を見る。

  1. 「表示モード」で「ブロック注目モード」を押そう。
  2. 「注目するブロックを選択」で 3 を押そう。
  3. 重力(赤)と2つの分力の矢印をくらべよう。ほかのブロックも選んでみよう。

見るところ2つの分力を合わせると、重力と同じ大きさ・反対向きの力になるか。

やってみたら開こう:わかること

ブロックにはたらく重力は、左右のブロックから受ける力とつり合っている(合力が0)。だからブロックは落ちずに止まっていられる。

ミッション 3

1つずらすとどうなる?

アーチのブロックを1つ大きくずらしたときのようすを見る。

  1. 右側のブロックを1つ、ドラッグで大きく動かそう。
  2. ほかのブロックはどうなった?
  3. 「初期位置に戻す(リセット)」で元にもどせます。

見るところ1つのブロックが支えを失ったときの、ほかのブロックの動き。

やってみたら開こう:わかること

アーチは、すべてのブロックがおたがいに押し合って支え合っている。1つでも外れると、力のつり合いがくずれて全体がくずれる。

ミッション 4

自分でアーチを組み立てよう

橋作成モードでブロックを並べ、支柱を外しても立つアーチをつくる。

  1. 下に並んだブロックを、点線の位置へドラッグして置こう(形に合う場所があります)。
  2. 5つとも置けたら、支柱を1本ずつ(または全部)外そう。
  3. 支柱を外しても、アーチは立っていられるかな?

見るところ支柱を外す前と後で、ブロックが支え合うようす。

やってみたら開こう:わかること

アーチは、組み立てるあいだは下から支え(支柱・仮枠)が必要だが、全部そろえば、ブロックどうしが押し合う力で支柱なしでも立っていられる。

この道具でわかること

わかること
力の分解ブロックの重力は、となり(または支柱)へ向かう2つの分力に分けられる
力のつり合いブロックにはたらく重力と、左右から受ける力の合力は0になる
アーチのしくみブロックどうしが押し合って支え合うので、下に支えがなくても形を保てる

この実験道具は、現役の理科の先生が作ったシミュレーターを、作者の許可を得て理科ラボ向けに編集したものです。値や動きは学習用の模型で、実際の実験の結果と同じになるとは限りません。