力には3つの要素がある
力を「3N」とだけ言われても、本当はそれだけでは足りません。どっち向きの力か、どこにかかっている力かが分からなければ、その力が物にどう影響するかが決まらないのです。力を完全に表すには、次の 3つの情報 が必要です。
- 大きさ（何N か）
- 向き（どっち向きか）
- 作用点（どこに力がはたらいているか）
3つのうち1つでも変わると、力の効果がまったく変わる。
分かりやすい例で言えば、同じバットで同じ強さでスイングしても、ボールの当たる場所（作用点）が違えば飛び方が変わります。芯に当たればホームラン、先っぽに当たればポップフライ。大きさも向きも同じなのに、作用点が違うだけで結果が変わるのです。
力を矢印で表す
力の3要素をすべて表すには、1本の矢印が便利です。矢印には、長さ・向き・始点という3つの情報が自然に含まれているからです。
①作用点（力がはたらく点）から矢印をスタートさせる
②矢印の 向き ＝ 力の向き
③矢印の 長さ ＝ 力の大きさ（例：1Nを1cmで描く、というスケールを決める）
この3つを守って描けば、矢印を見ただけで「どこに、どっち向きに、どれくらいの大きさの力がはたらいているか」が一目でわかります。矢印は力の3要素をすべて表す絵と覚えておきましょう。
力の作図 ── 机の上の本の例
もっとも基本的な作図問題が「机の上に置かれた本」です。本に質量300gと書いてあるとき、何Nの力が、どこに、どっち向きにはたらいているのでしょうか。
- 重力：本の中央から 下向き、3N。矢印は本の中心（作用点）から3cm下向きに描く。
- 垂直抗力：本と机の接する面（中央）から 上向き、3N。矢印は3cm上向きに描く。
- 2つの矢印は 同じ大きさ・反対向き → これがつり合っている状態。本は動かない。
ポイントは、「重力は地球から、垂直抗力は机から」 はたらいている、という出し手の違いです。本は何もしていなくても、地球の重力と机の支えがちょうど打ち消し合うことで、机の上にじっとしていられるのです。
フックの法則 ── バネの伸びと力の関係
力の大きさを実際にどうやって測るのか。その答えが バネ です。バネに力を加えると伸びる、という当たり前の現象が、力の測定の基準になっています。
バネの伸び（または縮み）は、加えた力の大きさに比例する
1Nで1cm伸びるバネなら、2Nで2cm、3Nで3cm伸びる。バネの種類によって「1Nで何cm伸びるか」は決まっており、これを バネ定数 と呼ぶ。
つまり、バネを使えば「伸び」を測るだけで「力の大きさ」が分かるということです。フックの法則 ＝ 比例関係。これさえ覚えておけば、計算問題はほぼ機械的に解けます。
ばねばかりのしくみ
理科室にあるばねばかり（ニュートンばかり）は、フックの法則をそのまま道具にしたものです。
- バネの伸びを目盛りにして、力の大きさを直接読み取れるようにしてある。
- 自然長（何もぶら下げないとき）から1cm伸びる位置に「1N」、2cm伸びる位置に「2N」とつけておく。
- 物をぶら下げてバネが3cm伸びれば、その物にはたらく重力（＝重さ）は 3N と分かる。
このしくみのおかげで、私たちは目に見えない力を、目に見える「伸び」に変換して測ることができるのです。
グラフで考えるフックの法則
フックの法則は、グラフにすると一発で理解できます。
横軸に力の大きさ（N）、縦軸にバネの伸び（cm）をとると、点はきれいに 原点を通る直線 上に並びます。これが「比例関係」のサインです。
- 力をかけすぎるとバネが伸びきって、手を離しても元に戻らなくなる。これを 弾性限界を超えた 状態という。
- 弾性限界を超えると、もうフックの法則は成り立たない（グラフも直線でなくなる）。
- 理科の問題で扱うのは、すべて 弾性限界の範囲内 での話、と考えてよい。
2力の関係 ── つり合うかどうか（次回への橋渡し）
1つの物に2つの力がはたらいているとき、その物が動かない（＝つり合う）ためには、3つの条件すべてが必要です。
- ① 2つの力の 大きさが等しい
- ② 2つの力の 向きが反対
- ③ 2つの力が 一直線上にある（同じ作用線上）
この3つすべてが満たされていれば、物は動かない。机の上の本（重力と垂直抗力）はまさにこの状態。
力が矢印で書けるようになると、つり合いの条件も「矢印を見れば一発で判定できる」ようになります。詳しくは次回（03-07）でじっくり扱います。
練習問題
答えを見る
重力
- 向き：真下（鉛直下向き）
- 大きさ：質量200g なので 2N（地球が本全体を引く力）
- 作用点：本の 中央（重心）
垂直抗力
- 向き：真上（鉛直上向き）
- 大きさ：重力とつり合っているので 2N（机が本を支え返す力）
- 作用点：本と机が接している面の中央
※ 矢印を描くなら、スケールを「1N＝1cm」と決めて、両方とも2cmの長さで反対向きに描く。
- このバネに3Nの力を加えたら、バネは何cm伸びるか。
- このバネに50gの物をつるしたら、バネは何cm伸びるか。
- このバネを6cm伸ばすには、何Nの力を加えればよいか。
答えを見る
(1) 1Nで2cm伸びるので、3Nなら 2 × 3 ＝ 6cm
(2) 50g にはたらく重力は 0.5N。よって 2 × 0.5 ＝ 1cm
(3) 1Nで2cm伸びるので、6cm伸ばすには 6 ÷ 2 ＝ 3N
※ ポイントは「比例関係」。1Nで何cm伸びるかを最初に押さえれば、あとはかけ算・わり算だけ。
- 力の3要素とは何か、3つすべて書きなさい。
- フックの法則とはどんな法則か、簡単に説明しなさい。
答えを見る
(1) 大きさ・向き・作用点。この3つがそろって初めて、力を完全に表すことができる。
(2) 解答例：バネに力を加えたときのバネの伸び（または縮み）は、加えた力の大きさに比例するという法則。たとえば1Nで1cm伸びるバネは、2Nで2cm、3Nで3cm伸びる。ばねばかりはこの法則を利用した道具で、バネの伸びから力の大きさを測ることができる。ただし、力をかけすぎてバネが元に戻らなくなる（弾性限界を超える）と、フックの法則は成り立たなくなる。
まとめ
- 力の3要素：大きさ・向き・作用点。1つでも変わると効果が変わる。
- 力は1本の矢印で表せる：作用点から出発、向き＝力の向き、長さ＝力の大きさ（スケールを決めて描く）。
- 机の上の本：重力（下向き）と垂直抗力（上向き）が同じ大きさ・反対向きでつり合っている。
- フックの法則：バネの伸びは加えた力に 比例。これがばねばかりの原理。
- グラフでは 原点を通る直線。ただし弾性限界を超えると法則は成り立たない。