力のモーメント

力のモーメントとは、ある点を中心に回転する力の効果を示すベクトル量のことです。

力のモーメントは、力がどのように物体を回転させるかを定量化するために使用されます。

力のモーメントの大きさの単位は、\(\text{N}\cdot \text{m}\)(ニュートンメートル)です。

力のモーメント\(\boldsymbol{M}\)は、力ベクトルを\(\boldsymbol{F}\)\(\boldsymbol{F}\)の始点を示す位置ベクトルを\(\boldsymbol{r}\)とした場合、外積を用いて以下のように表せます。

\[\boldsymbol{M}=\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{F}\]

なお、\(\boldsymbol{r}\)の始点を中心とした力のモーメントとなります。

力のモーメントは、外積であるため、力のモーメントの向きは\(\boldsymbol{r}\)\(\boldsymbol{F}\)と垂直な回転軸の向き、力のモーメントの大きさは\(\boldsymbol{r}\)\(\boldsymbol{F}\)が作る平行四辺形の面積(青色)となります。

\(\boldsymbol{r}\)の始点は、定義上、どこでも良いですが、位置によって、力のモーメントは変わります。物体の回転軸が分かっている場合は、その回転軸上に\(\boldsymbol{r}\)の始点を配置したりなど、適切に\(\boldsymbol{r}\)の始点を調整することで力のモーメントが扱いやすくなります。

また、物体に加わっている力のモーメントの和がゼロベクトルであれば、物体は回転しません。