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作用力とは？意味・反作用力との関係と力のつり合いの計算方法（ニュートンの第3法則）

この記事の要点

梁が柱を押す力と、柱が梁を押し返す力は同じ大きさで逆向きだ——これが作用・反作用の法則だ。

構造力学での力のつり合いを理解する出発点になる。

作用力と反作用力の関係と、支点反力計算への応用を整理する。

構造力学における力のつり合いは、作用力と反作用力の関係を正しく把握することが基本であり、支点反力や部材力の計算の土台となる。

この記事では、作用力とは何か、反作用力との関係はどうなっているのかを整理します。

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作用力とは、作用する力のことです。

物理学で使う用語です。

構造力学では、「荷重」や「外力」といいます。

意味は、作用力と同じです。

作用力と反対方向に作用する力を、反作用力といいます。

今回は、作用力の意味、反作用力、力のつりあいとの関係、作用反作用の計算方法について説明します。

荷重や外力の意味は、下記の記事が参考になります。

荷重（かじゅう）とは？意味・読み方・種類（静荷重・動荷重）を解説

外力（がいりょく）とは？意味・内力・反力との違い・摩擦力をわかりやすく解説

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作用力とは？

作用力とは、作用する力のことです。物理学や構造力学では、作用力を矢印で示します。矢印の長さ、向きで、力の大きさと方向を示します。下図に作用力を描きました。

作用力

地球上には重力があります。重力は鉛直方向に作用するので、作用力も基本的に鉛直方向の力です。※鉛直方向の意味は、下記が参考になります。

鉛直と垂直の違いとは？意味・鉛直方向・水平方向をわかりやすく解説

ただし、水平方向や斜め方向に作用する力もあります（水平方向の作用力として、地震力があります）。

作用力の大きさ、向き、作用点の３つを、力の三要素といいます。力の性質は、３要素で決定します。力の三要素は下記が参考になります。

力の3要素とは？大きさ・方向・作用点の意味と構造力学での役割

作用力と反作用力の関係

例えば、建物の壁に手をあてて押します。建物の壁を押しても、壁は動きません。押した手には、力を感じましたよね。これが反作用力です。下図をみてください。手で押した力が作用力、壁から逆向きに生じる力を反作用力です。

作用力と反作用力

物体が静止するとき、作用力と反作用力は、作用方向、大きさ、作用点が一致します。これを、力のつりあいといいます。力のつりあいは下記が参考になります。

力のつり合いとは？1分でわかる意味、作用反作用、角度、問題と計算、張力との関係

構造力学では作用力と反作用力を、それぞれ「荷重（外力）」、「反力」といいます。

なお、反作用力を得るには、物体が十分に固い（変形しない及び移動）ことが条件です。

サッカーボールを蹴ると簡単に転がりますね。

作用力に対して、反作用力が生じないためです。

作用力と力のつりあい

物体が静止するとき、作用力の合計と反作用力の合計は一致します。この関係を、力の釣り合いといいます。力の釣り合いは、簡単な連立方程式を組み立て計算します。構造力学で、最も基本的な計算です。力の釣り合いは、下記の記事が参考になります。

力のつり合いとは？1分でわかる意味、作用反作用、角度、問題と計算、張力との関係

作用反作用の計算

下図をみてください。細長い板に作用力が生じています。この板は静止状態と考えます。反作用力の値をもとめてください。

作用反作用の計算

答えは10kgです。

上記は簡単な例ですが、構造力学では色々な構造物の「反力（反作用力）」を計算します。下記が参考になります。

反力ってなに？反力の求め方と支点反力

混同しやすい用語

作用力

物体や部材に外部から加えられる力のこと。

荷重や外力が代表的な作用力である。

反作用力と常にペアで存在し、大きさが等しく向きが反対になるというニュートンの第3法則が成立する。

反作用力

作用力に対して、接触面や支持点で逆向きに生じる力のこと。

支点反力が代表例である。

作用力と混同しやすいが、「作用力が加えられる側」と「反作用力が生じる側」は常に別の物体であることが重要な違い。

試験での問われ方｜管理人の一言

試験では「作用・反作用の法則（ニュートンの第3法則）」や、支点反力が反作用力であることを問う問題が出題されます。

作用力と反作用力は「大きさが等しく逆向き、異なる物体に作用」という3つのポイントを押さえると確実に理解できます。

作用力を整理した表を示します。

項目	内容	備考
作用力	物体に外部から加えられる力（荷重・外力）	大きさ・向き・作用点を持つ
反作用力	作用力と同じ大きさで逆向きに生じる力	別の物体に作用する（ニュートン第3法則）
力の三要素	大きさ・向き・作用点	三要素で力の性質が決定する