てこの原理バーチャル実験 ガイド
物理学初級所要時間: 3 分
概要
テコは人類が最も古くから使用している単純機械の一つです。この実験では、実験室のテコ天秤をシミュレートし、分銅を吊るす操作を通じて、テコが水平位置で釣り合う際の力学的法則を発見します。釣り合いを決めるのは力の大きさだけでなく、力の作用点から支点までの距離も重要であることがわかるでしょう。
背景
テコの原理は、人類が発見した最も初期の物理法則の一つです。古代ギリシャの科学者アルキメデス（Archimedes、紀元前287-212年頃）は、テコの釣り合い条件を体系的に研究し、「支点を与えよ、さらば地球を動かさん」という有名な言葉を残しました。この言葉は、省力テコの威力を深く示しています。力の腕が十分に長ければ、どんなに小さな力でも巨大な重さを釣り合わせることができるのです。アルキメデスは理論的にテコの原理を解明しただけでなく、伝えられるところによると、巨大なクレーンや投石機を設計し、シラクサ包囲戦でローマ艦隊に大打撃を与えました。テコの原理は今日でも機械工学や建築設計の基礎となっています。
基本概念
支点 (O)
テコが回転する中心となる固定点。
力点 () と 作用点 ()
テコを動かそうとする力を「動力（力点の力）」、テコの動きを妨げようとする力を「抵抗力（作用点の力）」と呼びます。
力のモーメントの腕 (力腕) (L)
支点から力の作用線までの垂直距離。テコが水平位置で釣り合っている場合、支点から吊り下げ点までの距離がそのまま力腕となります。
公式と導出
テコの釣り合い条件
動力×動力の腕＝抵抗力×抵抗力の腕。これは「力のモーメントの釣り合い」とも呼ばれます。
力のモーメント (トルク)
力と力腕の積が力のモーメントです。テコの釣り合いの本質は、左回りのモーメントと右回りのモーメントの和がゼロになることです。
実験手順
- 1
テコの水平調整
分銅を吊るす前に、テコが水平に釣り合っていることを確認してください。このシミュレーションでは、初期状態で水平になっています。 - 2
等距離・等重量の実験
支点の左側、距離 2 の位置に分銅を 2 個吊るします。右側も距離 2 の位置に分銅を 2 個吊るしてみてください。テコは再び水平に戻りますか？ - 3
不均等な条件での実験
左側の状態（距離 2 に分銅 2 個）はそのままにします。右側は距離 1 の位置に分銅 4 個、あるいは距離 4 の位置に分銅 1 個を吊るしてみてください。両側の「重さ × 距離」の値が等しくなるか計算してみましょう。 - 4
法則の帰納
分銅の数と位置を何度も変えて、釣り合ったときの両側の値を記録します。 が成立しているか検証しましょう。
学習目標
- テコの5要素（支点、力点、作用点、動力の腕、抵抗力の腕）を理解する
- テコの釣り合いの定量的条件 を習得する
- 「力腕」とは単に棒の長さではなく、支点からの垂直距離であることを認識する
- 第1種、第2種、第3種テコ（省力テコ、距離を得するテコなど）を区別し計算できる
応用例
- 省力テコ：栓抜き、爪切り、釘抜き（動力の腕 ＞ 抵抗力の腕。力は節約できるが、距離は損をする）
- 距離を得するテコ（費力テコ）：ピンセット、箸、和竿（釣り竿）、散髪用ハサミ（動力の腕 ＜ 抵抗力の腕。力は要るが、細かい動きや距離を稼げる）
- 等腕テコ：上皿天秤、シーソー、定滑車（本質的に等腕テコである）
- 人体のテコ：爪先立ちするとき、足の指の付け根が支点（第2種・省力）；前腕で重いものを持つとき、肘関節が支点（第3種・費力）
よくある誤解
誤解
力腕とは支点から力の作用点までの直線の長さである
正解
間違いです。力が棒に対して垂直に働いている場合のみ等しくなります。正しい定義は、支点から力の作用線への「垂線」の距離です。力の向きが変われば、力腕の長さも変わります。
誤解
テコは水平位置でないと釣り合っていると言えない
正解
間違いです。テコが静止している（傾いて止まっている）、あるいは一定速度で回転している状態なら、それは釣り合っています。実験で水平にするのは、定規の目盛りがそのまま力腕の長さとして使えるため、測定が便利だからです。
誤解
動力と抵抗力は必ず支点の反対側になければならない
正解
間違いです。動力と抵抗力が支点の同じ側にある場合もあります（例：栓抜き、ピンセット）。互いに逆向きの回転力（一方が時計回り、他方が反時計回り）を生み出していれば、釣り合うことができます。
参考文献
準備はいいですか？
基礎知識を理解したら、インタラクティブな実験を始めてみましょう！