自由物体図（フリーボディダイアグラム）メーカー
状況を説明すると、物理的に正しい自由物体図ができます。物体は点か箱で表し、はたらく力はすべて物体から出る矢印で描いて mg、N、f、T などの記号を付け、斜面では座標軸も斜面に沿って傾けます。下からラベル付き版と空欄版も無料で閲覧できます。
または例文から始める
斜面上の物体の自由物体図（解答）
摩擦のある斜面を引き上げられる物体に、重力、垂直抗力、動摩擦力、斜面に沿って引く力を描き、座標軸を斜面に沿って傾けた図。解答として印刷するか、手本として配れます。
空欄の自由物体図（書き込み用）
同じ図の力の記号をすべて空欄の解答線に置き換えたものです。プリント、小テスト、定期試験の問題にそのまま使えます。
自由物体図とは？
自由物体図（フリーボディダイアグラム）は、注目する1つの物体をまわりから切り離して点や箱で表し、その物体にはたらくすべての外力を、物体から力の向きに伸びる矢印で描いた図です。矢印には重力 mg、垂直抗力 N、摩擦力 f、張力 T といった記号を付けます。運動方程式を立てる前の最初の一歩が、この図です。
要点
- 描くのは力だけです。速度、加速度、合力は物体にはたらく力ではないので描きません。合力は図から計算して求めるものです。
- どの力にも「力を及ぼす相手」がいます。重力は地球から、垂直抗力と摩擦力は接している面から、張力はひもや糸から受けます。押すものも引くものもなければ矢印はありません。静止した（慣性系の）立場では「遠心力」を描かないのはこのためです。
- 垂直抗力は面に垂直です。水平な床なら真上向き、傾き θ の斜面なら面に合わせて傾き、ほかに物体を斜面へ押しつける力がなければ大きさは mg cos θ で、mg ではありません。
- 摩擦力は面に平行です。動摩擦力はすべる向きと逆向き、静止摩擦力は物体がすべり出そうとする向きと逆向きにはたらきます。
- 斜面では座標軸を傾けます。x 軸を斜面に沿って、y 軸を斜面に垂直にとれば、分解が必要なのは重力だけです。斜面に沿った成分が mg sin θ、面に垂直な成分が mg cos θ になります。
自由物体図の作り方
状況を説明する
注目する物体、それに触れているもの、どう動いているかを伝えます。床を押される箱、斜面をすべり下りる物体、2本のワイヤーでつるされた照明など。角度や質量、授業で使う記号を図に入れたい場合はそれも書いてください。
スタイルを選ぶ
デフォルトは清潔な教科書スタイル。白背景に黒い矢印と標準的な記号。線画、黒板風、3D などの仕上げも選べます。
調整して書き出す
生成結果はワークスペースに開き、矢印の移動、キャンバス上での記号の書き換え、アップスケール、高解像度での書き出しができます。
自由物体図に描く力と、それぞれの描き方
力学の問題でよく出てくる力と、ふつう使われる記号、矢印を向けるべき方向の一覧です。別の指定がなければ、どの図もこの約束どおりに描かれます。
| 力 | 記号 | 描き方 |
|---|---|---|
| 重力 | mg（W と書く教科書もある） | 鉛直下向き。質量をもつすべての物体にはたらく |
| 垂直抗力 | N | 接触面に垂直で、面から離れる向き |
| 動摩擦力 | f（大きさ μ'N） | 面に平行で、すべる向きと逆向き |
| 静止摩擦力 | f（最大で μN） | 面に平行で、すべり出そうとする向きと逆向き |
| 張力 | T | ひもや糸に沿って、物体を引く向き |
| 外から加える力（押す・引く） | F | 押す向き、または引く向き |
| 空気抵抗 | R（または kv） | 物体の速度と逆向き |
| 弾性力（ばねの力） | kx | ばねに沿って、自然の長さに戻る向き |
記号や描き始めの位置は教科書によって違います。日本の高校物理では、接触力は接触面上の作用点から、重力は重心から描くのが一般的です。一方、英語圏の教科書は重さを W と書き、すべての矢印を物体の中心から描くことが多くなっています。授業で使う記号や描き方を指定すれば、そのとおりに描かれます。
自由物体図と力の合成の図の違いは？
自由物体図は1つの物体にどんな力がはたらいているかを示す図で、力の合成の図は、同じ力を平行四辺形の法則や矢印のつなぎ合わせで足し合わせ、合力を作図で求める図です。必ず自由物体図が先で、力がひとつでも抜けていれば合力も正しく求まりません。
| 自由物体図 | 力の合成の図 | |
|---|---|---|
| 示すもの | 物体にはたらくすべての力 | その力を足し合わせた合力 |
| 矢印の置き方 | 物体（作用点）から描く | 平行四辺形をつくるか、矢印の先に次の矢印の根元をつなぐ |
| 矢印の長さ | 力の大きさにおおよそ比例 | 決めた縮尺どおり（例：1 cm で 10 N） |
| わかること | 運動方程式 ma = F に入れる力 | 合力の大きさと向き |
| つり合いのとき | 力の成分の和がそれぞれ 0 | 矢印をつなぐと閉じた多角形になる |
| 描く順番 | いつも最初 | 自由物体図のあと |
力の合成の図に使う矢印は、すべて自由物体図から写します。静止している物体なのに矢印が閉じない場合は、自由物体図で力が抜けているか、向きが間違っています。
自由物体図はどこで使われる？
力を足し合わせる必要がある場面なら、どこでも使われます。高校物理の授業や試験、大学の力学や構造力学、バイオメカニクスなどで、1つの物体にはたらく力をすべて描いてはじめて運動の法則が使えるからです。変わるのは物体の扱いで、高校では点、その先では力をそれぞれの作用点に描いたはりや関節になります。
高校・大学の物理
プリント、実験レポート、定期試験や入試の答案。力の問題では、力の図示が最初の得点になることがよくあります。
宿題と試験対策
斜面上の物体、滑車、エレベーター、つるしたおもり。定番の問題を一度正しく描いておけば、そこから立てる式も正しくなります。
工学の静力学・構造力学
はり、トラス、ラーメンを切り離して支点反力を描き、各力を作用点に置いてモーメントのつり合いを立てます。
バイオメカニクス・スポーツ科学
手足や関節、選手の体にはたらく筋力、関節反力、床反力などを、講義資料やレポート、論文のために図にします。
自由物体図についてよくある質問
自由物体図には何を描けばよいですか？
点か簡単な箱で表した物体だけと、それにはたらくすべての外力の矢印（それぞれ記号付き）、そして座標軸です。それ以外は描きません。周囲の物、速度や加速度の矢印、合力は入れません。これがデフォルトで、斜面やひもを簡単に添えてほしい場合は指定すれば描かれます。
空欄の自由物体図は手に入りますか？
入ります。このページの空欄版を無料で閲覧するか、空欄版を指定すれば、力の記号がすべて空欄の解答線に置き換わります。ラベル付き版がそのまま解答になるので、2枚一組で印刷できます。
自由物体図はどんな手順で描きますか？
物体を切り離し、はたらく力をすべて探して、それぞれ物体から出る矢印で描き、記号を付けます。まず重力、次に接している面ごとに垂直抗力と摩擦力、ひもごとに張力、最後に押す力や引く力を加えます。そのあと座標軸を決め（斜面なら斜面に沿った向きと垂直な向き）、どの矢印にも力を及ぼす相手がいるか確かめます。
斜面上の垂直抗力が真上向きにならないのはなぜですか？
垂直抗力は、力を及ぼす面に対していつも垂直だからです。斜面の面は傾いています。真上向きに描いてしまうのは、自由物体図でいちばん多い間違いです。大きさも変わり、ほかに斜面へ押しつける力がなければ N = mg cos θ で、重力より小さくなります。
円運動では遠心力を描きますか？
描きません。ふつう使う慣性系では遠心力を及ぼす相手がいないので、矢印もありません。向心力も別の矢印ではなく、すでに描いた力の合力のうち中心向きのものを指す名前です。ひもで回す球なら張力、カーブを曲がる車なら摩擦力、人工衛星なら重力がそれにあたります。
速度や加速度も自由物体図に描きますか？
描きません。描くのは力だけです。右へ動いている物体に右向きの力が必要なわけではなく、一定の速さですべる箱では力がつり合っています。運動の向きを示したいときは、矢印ではなく図の横に書き添えてください。
摩擦力はどちら向きに描きますか？
面に沿って、すべる向きと逆向きです。動摩擦力は面に対する物体の運動と逆向き、静止摩擦力はすべり出そうとする向きと逆向きなので、斜面上で静止している物体なら斜面に沿って上向きになります。
力の矢印はどこから描き始めますか？
物体から、力の向きに向けて描きます。質点として扱う図では、押す力も含めてすべての矢印を点や箱の中心から描きます。日本の教科書のように作用点を区別する場合や、はり・はしごのように回転の効果が問題になる場合は、それぞれの力を作用点から描いてください。
力の大きさも計算してくれますか？
図を描くツールで、計算はあなたの手に残ります。質量、角度、摩擦係数などの数値を伝えれば図に書き込まれますが、未知の力を解くことはしません。数値は使う前に必ず確かめてください。
一般的な画像生成AIと何が違いますか？
題材についての指示が組み込まれています。どの画像も教科書どおりの描き方（それぞれの力を本当の向きに描き、標準的な記号を付ける）に従い、力でないものは描かないよう指示されます。印刷前に問題文と矢印を照らし合わせてください。キャンバス上でどの矢印もその場で直せます。
生成した図は授業や論文に使えますか？
使えます。生成した図はあなたのものです。プリント、発表資料、実験レポート、学位論文、投稿論文で使えます。モデルにもよりますが、最大 4K の高解像度ラスターで書き出せます。
生成後にラベルを変更できますか？
できます。結果はキャンバスのワークスペースで開き、図のラベルが認識されています。記号の書き換えや翻訳、矢印のラベルの移動、一部の描き直し、色の変更が、図全体を作り直さずに行えます。
関連ツールと記事
ほかの図表作成ツールと、その読み方をまとめた記事。
