１．滑車を使った仕事
●定滑車
天井や壁、床などに固定されて動かない滑車。
●動滑車
天井や壁、床などに固定されておらず動くことのできる滑車。
例題１
下の図のように３kgの物体を定滑車につるした。
糸の一端を手で引き、物体を５m持ち上げたい。
このとき、あとの問いに答えなさい。
ただし摩擦や空気抵抗は考えないものとする。
（１）糸を何Ｎの力で引けばよいか。
（２）糸を何ｍ引けばよいか。
（３）手がした仕事は何Ｊか。
【解答】
３kgの物体にはたらく重力は30Ｎです。
つまり糸を30Ｎの力で引くと、３kgの物体を持ち上げることができます。
また糸を何ｍ引くかは、物体を引き上げる長さに等しいはず。
(物体を引き上げたい分だけ、糸を引かなければならないということ）
よって糸を５m引くわけです。
そして手がした仕事は
仕事(J) ＝ 力(N) × 力の向きに動いた距離(m) ＝ 30N×5m ＝ 150J
となります。
したがって答えは
（１）30N （２）5m （３）150J
となります。
※（３）の別解
仕事とは、どれだけその物体のエネルギーを変化させたかを表します。
仕事(J)＝エネルギーの変化量
この問いでは滑車を使って物体を持ち上げています。
物体が持ち上がるということは、物体の位置エネルギーが増加するということ。
位置エネルギーは次の公式で求められます。
位置エネルギー(J)＝重さ(N)×高さ(m)
30Ｎの物体を５ｍ持ち上げているので
位置エネルギー＝30N×5m＝150J
となり、物体の位置エネルギーが150J大きくなります。
よって
仕事＝エネルギーの変化量＝150J
と求めることもできます。
例題２
下の図のように３kgの物体を動滑車につるした。
糸の一端を手で引き、物体を５m持ち上げたい。
このとき、あとの問いに答えなさい。
ただし滑車の質量、摩擦や空気抵抗は考えないものとする。
（１）糸を何Ｎの力で引けばよいか。
（２）糸を何ｍ引けばよいか。
（３）手がした仕事は何Ｊか。
【解答】
（１）
物体の質量は３kg。
そのため物体には30Ｎの重力がはたらいています。↓
この30Ｎの下向きの重力を天井と手の２か所で支えています。↓
そのため
天井が支える力（天井にはたらく力）＝15Ｎ
手が支える力（手にはたらく力）＝15Ｎ
となっています。
よって答えは15Ｎです。
（２）
物体を５ｍ持ち上げるには、動滑車の左右両方のひもを５ｍずつ引き上げればよさそうです。
しかし片方のひもは固定されています。
つまり固定されているひもの分も、手で引かなければなりません。
式で書くと
5m×2=10m
よって正解は10mです。
（３）
（１）より、手が糸に加えた力は15Ｎ。
（２）より、手が糸を引いた長さは10ｍ。
ここから
仕事(J) ＝ 力(N) × 力の向きに動いた距離(m) ＝ 15N×10m ＝ 150J
よって仕事は150Jが正解です。
※（３）の別解
例題１の(３)の別解同様、30Ｎの物体が５ｍ持ち上がり位置エネルギーが増加していることから、
増加した位置エネルギー＝30N×5m＝150J
よって150Jの仕事をした、と求めることもできます。
３．動滑車の特徴
例題１も例題２も「重さ30Ｎの物体を５ｍ持ち上げる」という問題でした。
例題２のとき（動滑車を使ったとき）
手が引く力＝15Ｎ
手が引く糸の長さ＝10ｍ
でした。
つまり動滑車を使うと
・手が引く力は１/２倍
・手が引く長さは２倍
となるのです。
しかし、しなければいけない仕事は変わりません。（例題１も例題２も150J）
このように道具を使っても使わなくても、仕事の量は変わりません。
このことを仕事の原理といいます。
・動滑車での仕事は・・・
→ 手が引く力は１/２倍・手が引く長さは２倍
→ でも仕事の量は変わらない。（仕事の原理）