手で壁を押すと、壁から手も押されます。この二つの力は大きさが等しく、向きが反対です。それでも「二つの力がいつも打ち消し合うので、何も動かない」とは説明しません。二つの力が働く相手が違うからです。一つの物体の運動を考えるときは、その物体に働く力だけを集めます。
矢印の前に、誰が誰を押すかを書く
図では、手が壁を押す力と、壁が手を押す力を別々に描いています。前者は壁に働く力、後者は手に働く力です。このように二つの物体の間で対になる力が、作用・反作用の関係です。名称の順番は、先に一方が働いて、遅れて他方が発生するという時間差を意味しません。
一方、静止している本に、下向きの重力と机からの上向きの力が働いている場合、その二つは同じ本に働く力です。つり合いを考える組合せですが、互いに作用・反作用の組ではありません。向きが反対、大きさが同じ、という二つの特徴だけで両者を見分けようとすると、ここを取り違えます。
本を引く地球と、本が引く地球
本に働く重力の相手を探すときは、机ではなく地球を見ます。地球が本を引く力に対する反作用は、本が地球を引く力です。机が本を押す力に対する反作用は、本が机を押す力になります。このように「AがBに」を「BがAに」と入れ替えると、対応する相手を探せます。
地球が目に見えて動かないから、本から地球への力が存在しない、とするのは誤りです。力の大きさと動きの変化を区別します。同じ大きさの力でも、物体の質量などが違えば、運動の変わり方は同じとは限りません。入試の図では、動いた距離だけを見て、力の大きさを勝手に逆算しないようにします。
例題1：台車Aに働く力だけを選ぶ
架空の水平な実験で、台車Bが台車Aを右向きに6Nで押しています。同時に、台車Aは台車Bを左向きに6Nで押しています。台車Aには別のひもが左向きに2Nの力を加えています。台車Aに働く水平方向の合力は、どちら向きに何Nですか。ほかの水平力はないものとします。
答え・解説： Aに働くのは右6Nと左2Nなので、合力は右向き4Nです。AがBを押す左6Nは、Bに働く力のため、Aの計算へ入れません。6－6－2のように、図に見えた矢印を全部足し引きするのではなく、Aを囲んだ枠へ入る力だけを選びます。Nは力の大きさの単位です。
例題2：静止した本の二つの力
机の上で静止している本に、地球から下向き4N、机から上向き4Nの力が働いています。この二つは作用・反作用の組でしょうか。机から本への力の反作用を、言葉で答えてください。
答え・解説： この二つは同じ本に働くつり合った力で、作用・反作用の組ではありません。机から本への上向き4Nの力に対する反作用は、本から机への下向き4Nの力です。図では、上向きの矢印は本側に、対応する下向きの矢印は机側に描きます。本に働く重力の反作用を問われたなら、相手は地球になります。
全体を囲む場合は、問いも変わる
台車AとBをまとめて一つの範囲として考える場合、二台の間で押し合う力は、その範囲の内部で働く力です。全体の動きの変化を考えるとき、内部の対になる力は合計で打ち消し合います。しかし、これは一台ずつが動かないという意味ではありません。二台が離れる向きに動くこともあります。
囲む範囲を変えると、内部の力か外からの力かという区別も変わります。初めにAだけを扱っていたのに、途中からAとBの全体の説明へ移ると、同じ式を使えなくなります。解答の余白へ「Aについて」「AとBを合わせて」と一言書くと、混乱を防げます。
力の図を描くときは、矢印の長さをきれいにそろえるよりも、どの物体へ作用するのかを明記する方が先です。接触している二物体を別々に描き、それぞれへ矢印を置くと、同じ場所に反対向きの線が重なって意味が分からなくなることを避けられます。名前を暗記するより、「力を受けるのはどちらか」を答えられることを目標にしましょう。
力の矢印で読む浮力と、静止摩擦とつり合いも、対象を一つに決めて力を集める練習になります。
押した方が大きく、押された方が小さい図でも、作用・反作用の対の大きさは等しくなります。相手が小さいから反作用も小さい、とはしません。ただし「二つの物体に働く全ての力の合計」まで等しいと言っているわけではありません。床からの摩擦や、ひもからの力が片方へ別に働けば、それぞれの合力は変わります。対にする二本を見つけた後、ほかの矢印を残しておくと、運動の説明を省略せずに続けられます。