１．仕事の原理
●仕事
物体に力を加えて、力の向きに物体を動かすこと。
求める式↓
仕事(J)＝力(N)×力の向きに動いた距離(m)
●仕事の原理
道具を使っても使わなくても仕事の量は変わらないこと。
仕事には「ものを持ち上げる」などがあります。
ものを持ち上げるには「手で持ち上げる」「てこを使って持ち上げる」「滑車を使って持ち上げる」などいろいろな方法があります。
このとき持ち上げる高さが同じならば、人がする仕事は同じです。
これを仕事の原理といいます。
２．斜面を使った仕事
↓の図のような場合を考えます。（※100gの物体にはたらく重力を１Nとする）
①では３kgの物体を真上に１m引き上げています。
②では３kgの物体を斜面を使って１mの高さまで引き上げています。
斜面を使った場合
②のように斜面を使ってものを持ち上げるのは、①と何が異なるのでしょうか。
①のように真上に持ち上げる場合、人は30Ｎの力を加えなければなりません。
しかし②の場合は、人が加える力は30Ｎではありません。
②において、物体にはたらく力には重力があります。
重力は物体の中心から下向きにはたらきます。
この「重力に逆らって」物体を持ち上げるのは①の場合です。
②のように斜面を使った場合は、「重力の分力に逆らって」物体を持ち上げます。↓
重力の分力は、当然重力よりも小さいです。
よって②の場合、人が引く力は30Nより小さくなります。
このように斜面を使ってものを持ち上げると、直接真上に持ち上げるよりも小さい力で済みます。
その代わり、人が糸を引く距離は長くなります。
①では「真上に１ｍ引く」ですが、②では「斜面にそって２m引く」です。
仕事の量を計算
仕事を求める式は
仕事(J)＝力(N)×力の向きに動いた距離(m)
でした。
ですので②の仕事を求めるには、手で引く力が何Ｎかを知る必要があります。
このような場合に仕事の原理を利用します。
①も②も、「3ｋｇの物体を１ｍ持ち上げる」というのは変わりません。
持ち上げる高さが同じならば、仕事の量は同じであるので
②の仕事＝①の仕事＝30N×1m＝30J
となります。
次に手で引く力をx(N)として②の仕事を求める式をたててみましょう。
②の仕事＝x(N)×2m＝2x(J)
これは先ほどの30Jと等しいので
2x＝30
よってx＝15となり、手で引く力は15Nとわかります。
例題
↓の図のように、ある物体を斜面を使って20Nの力で引き、３ｍの高さまで持ち上げた。
このとき、あとの問いに答えよ。
（１）物体がされた仕事は何Ｊか。
（２）物体の重さは何kgか。
【解答】
（１）
物体は20Nの力で7.5m引かれているので
仕事(J)＝力(N)×力の向きに動いた距離(m)＝20N×7.5m＝150J
よって正解は150Jです。
（２）
物体の重さをx(N)としたとき、直接真上に持ち上げる仕事は
仕事＝x(N)×3m＝3x(J)
となります。
これは（１）の答えと等しいので
3x＝150
これを解くとx＝50(N)となり、したがって物体の質量は5kgです。
・斜面を使ってものを持ち上げると、直接真上に持ち上げるより
→ 人が引く力・・・・小さくなる
→ 人が引く距離・・・大きくなる