張力とは、ピンと張ったロープなどが及ぼす力のことですが、以外と理解が難しい力の一つです。特に滑車が絡むと、張力がどのように働くのかは混乱の元となります。今回はグラフを通して張力を正確に理解しましょう！

ロープは分割して考える

天井からボールがロープで吊るされている状況を考えます。

ここで、ロープをそのまま考えるのは難しいので、下のグラフのようにロープをいくつかの部分に分割して考えます。

ピンと張ったロープは、これらの分割した部分が同じ力（＝張力）で引き合っています！

例えばこのロープの張力が $T\ [\mathrm N]$ のとき、下の図の紫の部分は赤の部分に下向きに $T$ 、水色の部分に上向きに $T$ の力を与えます。

これが正確な張力の理解ですが、ロープ全体をまとめて考えると、張力のほとんどは相殺し合います。グラフ下の 相殺する力 というスイッチをオフにしてみてください。

このように相殺し合う力を除くと、端の２つの力のみが残ります。これら２つの力はロープ以外の物に与える力であるため、相殺されません。上の赤い力は天井を引っ張る力、下の緑色の力はボールを引っ張る力です。

つまり、実際に張力を考えるときは端が引っ張る２力だけを考えれば良いということです！もちろん、この２つの力の大きさは等しいです。

滑車が関わる場合は注意が必要です。これから解説します。

滑車に及ぼす張力

では次に滑車にロープが及ぼす力を考えます。下のグラフのように、滑車にかかったロープの両端にボールが吊り下がっているとします。先ほどと同様にロープは分割してあります。

今回も同様に相殺する力を消してみましょう。力の表示形式 と書かれたスライダーを真ん中までスライドさせてください。

ここが先ほどと違う点です。滑車の部分においてロープが丸まってしまっているため、力が相殺されません！滑車方向を向いた力が残ってしまいます。

最終的に、ロープの両端ではボールに上向きに力を与えており、丸まっている場所では滑車に下向きに力を与えています。

ロープの張力を $T$ とすると、ボールが受ける力は $T$ だとすぐわかりますが、滑車が受ける力はよくわかりません（積分で求める方法もありますが...）。そこで、滑車に接しているロープは滑車の一部であると考えます！グラフ上のスライダーを一番左までスライドしてください。

すると、上の図のように滑車から２本のロープが吊り下げられていると考えることができます！

これであれば、滑車にかかる張力は下向きに $2T$ であるとわかります。