高校物理の内力と外力の見分け方を完全解説｜判断するポイントと具体例で理解する

高校物理では、運動量保存則や力学の問題を解く際に「内力」と「外力」の区別が重要になります。しかし、問題文を読んだときに、どの力が内力でどの力が外力なのか迷ってしまう人も少なくありません。

内力と外力は、力そのものの種類で決まるのではなく、「どの物体をひとまとまりの系として考えるか」によって変化します。この記事では、内力と外力の基本的な考え方から、問題で迷わないための判断方法まで具体例を交えて解説します。

内力と外力の違いは「系の内側か外側か」で決まる

内力とは、ある物体の集まり（系）の中で、物体同士が互いに及ぼし合う力のことです。一方、外力とは、その系の外側にある物体から受ける力のことを指します。

つまり、同じ力でも「どの範囲をひとつの物体として考えるか」によって、内力にも外力にもなります。ここが内力と外力を判断するときの最も重要なポイントです。

例えば、2つの台車AとBが押し合っている場合、AがBを押す力とBがAを押し返す力は、2台の台車全体を系として見るなら内力になります。しかし、台車Aだけを考える場合、台車Bから受ける力は外力になります。

内力かどうかを判断するときは、まず「何をまとめて考えているのか」を確認します。系として設定した物体の内部で発生している力なら内力です。

例えば、ロケットと燃料を合わせた全体を系とすると、燃料が燃焼して発生するガスの力は内部の相互作用なので内力として扱います。しかし、ロケット全体が地球から受ける重力は系の外側から働くため外力です。

このように、力の名前ではなく、対象としている範囲との関係で判断することが大切です。

外力は、考えている系の外部に存在する物体から受ける力です。代表的なものには、重力、床から受ける垂直抗力、摩擦力、空気抵抗などがあります。

例えば、机の上に置かれた物体だけを系として考える場合、地球から受ける重力や机から受ける垂直抗力は外力になります。これらは物体の外側にあるものから加わっている力だからです。

ただし、机と物体をまとめて系にした場合は、机から物体への垂直抗力は系の内部の力となり、内力として扱われます。

問題で迷った場合は、以下の手順で考えると判断しやすくなります。

1. まず何を系として考えるか決める
力学の問題では、最初に注目する物体の範囲を決めます。1つの物体だけを見るのか、複数の物体をまとめて見るのかを確認します。

2. 力を加えている相手を確認する
その力を与えている相手が系の中にいるなら内力、系の外にいるなら外力です。

3. 作用反作用のペアを探す
同じ系の中で2つの物体が互いに及ぼし合う力は、作用反作用の関係にあり、全体で見ると打ち消し合うため内力になります。

2つの物体AとBをまとめて考える場合、ばねがAに与える力とBに与える力は内力です。ばねは系の内部に存在しているためです。

一方、床との摩擦力や重力は、AとBの外部から働くため外力になります。

2つのボールが衝突するとき、ボール同士が及ぼす力は内力です。そのため、外部から力が働かなければ、衝突前後で全体の運動量は保存されます。

しかし、地面からの摩擦や空気抵抗がある場合、それらは外力となり、運動量保存則をそのまま使うことはできません。

よくある間違いは、「接触している力は内力」「重力は必ず外力」と単純に覚えてしまうことです。しかし、実際には系の取り方によって変化します。

例えば、物体と地球をひとつの系として考えるなら、地球から物体への重力も地球と物体の間に働く内力になります。逆に、物体だけを考えるなら重力は外力です。

物理では「この力は何という種類か」よりも、「どの範囲を考えているか」を意識することが重要です。

高校物理の内力と外力の見分け方で最も大切なのは、力の種類ではなく「考えている系の内側か外側か」を確認することです。

複数の物体をまとめて考える場合、その内部で物体同士が及ぼし合う力は内力になります。一方、系の外にある物体から受ける力は外力になります。

問題を解く際は、最初に「何をひとつのまとまりとして見るのか」を決める習慣をつけることで、内力と外力の判断ができるようになり、運動量保存則などの力学問題も解きやすくなります。