棒を引き抜くときにねじねじする理由

穴（筒）から棒を引き抜くときにはたらく力についての疑問です。

皆さんもよく分子模型で分子をつくったりすると思いますが、
原子の玉からボンドの棒を引き抜くのって結構力が必要だったりしますよね。
まぁ、分子模型に限らず、何か穴から棒を引き抜くとか、筒から棒を引き抜くとかそういう作業であれば誰しもが一度は苦労されたことがあると思います。

その際、（先程分子模型を触ってたのですが）、穴から棒を引き抜くときに、無意識にねじねじ（棒を左右交互にまわす動作）をして引き抜いている自分に気付きました。

思い返せば、分子模型に限らず、棒を引き抜くときにねじって取ることはあったよなぁと思い、疑問に思ったので考えてみました。

これは、まっすぐに引き抜くより、左右に動かしたほうが
静止摩擦力≧動摩擦力
ですから、引き抜きやすいということなのでしょうか？

しかし、ここでまた疑問が湧きます。穴からひっこぬくという動作と、穴の中でねじるという動作は、どちらも同じ静止状態から始めます。しかし、接触面積は同じなのに、回す方向に力を加えると楽に回り、引っこ抜く方向に力をいれると、なかなか動きません。（私の持っているHGS分子模型では。）
これは、静止摩擦力は実はそんなに大きくないということですよね。

引き抜きにくいのは、穴の片端が閉じていて、棒を入れると中が真空になるからですか？
確かに、棒を穴の中に入れるときに入れにくいのは、空気圧で入れにくいんだなという想像はつきます。

では、真空になる為に棒が引き抜きにくいならば、なぜ回してねじねじした方が引っこ抜きやすいのでしょうか。わずかに空気が穴の中に入っていくからですか？

力のモーメントかなにかでしょうか？？？

また、今は手元に筒がないのでわかりませんが、両端が開いてる筒から、一回り小さい筒を引き抜くときに、皆さんは苦労されたことがありますか？その際ねじっていましたでしょうか。
私の場合、結構ねじっている気がするけど、そのとき端が開いていたかというと自信がないな。。という感じです。


長くなってしまいましたが、私の疑問は、

1.端が閉じた穴から棒を引き抜くのに、まわしながら引き抜くと楽なのはなぜか
2.上記１において気圧が大きな要因ではないとすれば、(筒の端が開いているとき）、棒をまわしながら引き抜くと、まっすぐに引き抜くときより楽な(力が小さくてすむ)ことはあるか.また、そうであれば、その原理はどうなるのか。


の2点です。高校生にもわかるようにどなたかお教えくださると嬉しいです。
他にも、上記2点に関わらず、文中に気になる点等がございましたらご指摘、ご指南くださると幸いです。

No.8 回答者： lazydog1 回答日時： 2013/07/27 16:54

>静止摩擦力≧動摩擦力ですから、引き抜きやすいということなのでしょうか？

　その通りです。

>穴からひっこぬくという動作と、穴の中でねじるという動作は、どちらも同じ静止状態から始めます。


>しかし、接触面積は同じなのに、回す方向に力を加えると楽に回り、引っこ抜く方向に力をいれると、なかなか動きません。（私の持っているHGS分子模型では。）

　これは人間の力の出し方の特性です。それを力学で言うならば、てこになります。握力が足りているとすると（実はこれがネックのことが多い）、肘辺りまでがてこのように働いて力を加えられます。

　こういう回転によって力を出すものは、たとえばハンマーがあります。人力で大きな力を出すときは、ひねりから回転を利用することが多いのです。

>引き抜きにくいのは、穴の片端が閉じていて、棒を入れると中が真空になるからですか？

　茶筒などはそれもありますね。

>では、真空になる為に棒が引き抜きにくいならば、なぜ回してねじねじした方が引っこ抜きやすいのでしょうか。わずかに空気が穴の中に入っていくからですか？

　それもあります。さらに、精密加工でない限り凸凹があるわけですが、力尽くで押し込んではめると、まず凸凹を滑らかにしながら押し込まれ、止まってから凸凹が回復して噛みあってしまいます。回して動かせば、凸凹が滑らかになり、引き抜きやすい状態になります。

　この凸凹の効果があまりに大きく、引くのはもちろん、ねじっても駄目であれば、思い切って押し込む向きに引っ叩くと、ようやくねじれるようになることもあります（最終手段に近い）。

>力のモーメントかなにかでしょうか？？？

　その通りです（先ほど『てこ』と言ったのが、それです）。

>また、今は手元に筒がないのでわかりませんが、両端が開いてる筒から、一回り小さい筒を引き抜くときに、皆さんは苦労されたことがありますか？

　苦労することがあります。

>その際ねじっていましたでしょうか。

　単純に引いて駄目なら、ねじってみます。

>1.端が閉じた穴から棒を引き抜くのに、まわしながら引き抜くと楽なのはなぜか

　そちらの方が力を掛けやすいからです。しかし道具を使って、例えば釘抜きなどでは真っ直ぐ引き抜き、ねじりは利用しません。引き抜く方向に充分力があり、ねじる方向には力を賭けにくいからです。

>2.上記１において気圧が大きな要因ではないとすれば、(筒の端が開いているとき）、棒をまわしながら引き抜くと、まっすぐに引き抜くときより楽な(力が小さくてすむ)ことはあるか.また、そうであれば、その原理はどうなるのか。

　あります。素手の人間の身体がその方が力を出しやすいからです。ねじることによって動かし、かつ引き抜いて行くことになります。

　手で棒をしっかり握って、それを引くとして、棒の向きはどうなっていれば力をこめやすいでしょうか？　鞄の取っ手のようになっているほうがいいわけです。筋トレのバーベルやダンベルもそうです。

　この他、茶筒のように歪みやすいもので、引き抜くために持つ外側の部分が、内側の部分になっていると、さまざまな工夫が必要になります。

　力任せに握力を掛けると歪んでしまい、ねじることも、引き抜くこともできなくなったりします。

　時代劇などで力任せに何かするときに、手に唾を吐きかけるシーンがありますが、あれは手の摩擦を増やすためです。いくら握力があっても、滑りやすければ意味がありません。素手で難しくても、ゴム手袋などがあれば、案外楽に引き抜けたりします。

No.7 回答者： tetsumyi 回答日時： 2013/07/27 07:56

まっすぐな棒であれば、まっすぐ引き抜いても回転させてもあまり変わらないです。

しかし、自転車のサドルのように棒の上に左右に回転できる大きい物が付いている時は回転させようとした場合、実際に棒の表面に働く力が回転トルクで何倍にもなって簡単に動き始めます。

No.6 回答者： TXV12003 回答日時： 2013/07/26 18:42

棒と穴にはそれぞれランダムに凹凸がついています。

まっすぐに引き抜くと、かならず、どこかの凹凸同士が噛み合ってそこで止まってしまいます。

引っ張りながらねじると、噛み合っている凹凸同士が迂回されるので、少し引き抜き方向に移動した後、次の別の凹凸の組み合わせで再びストップします。

連続的にねじることで、噛み合い→迂回→噛み合い→迂回が繰り返され、やがて抜くことができます。

もっと簡単に考えるために、凹凸が多数ある２枚の板を、強力なクリップで挟んだ状態を考えてみてもいいかもしれません。

No.5 回答者： phobos 回答日時： 2013/07/26 17:04

> 皆さんもよく分子模型で分子をつくったりすると思いますが

私は触った事もありませんが、HGS分子模型というのはプラスチックで出来ているようですね。

精密加工した金属ならともかく、木材とか射出成形したプラスチックなどでは、穴や丸棒の真円度や表面荒さは厳密な物にはなりませんん。

この分子模型セットも射出成形品でしょうから、原子側の穴やボンドの丸棒（丸パイプ？）も、内径外径はさほど厳密な円形にはなっておらず、またその表面にも細かな凹凸が出来ているはずです。（多分1/10～1/100mmオーダーで？）。

穴に棒をはめ合わせた時に簡単にスッポ抜けないのは、穴側と棒側の出っ張り同士が左図赤丸のように噛み合ってキツキツになっているからでしょう。
（図では噛み合いを１箇所しか描いてませんが、もちろん噛み合っているのは１箇所だけではありません）

この状態で棒を軸方向に引っ張っても噛み合いがあるので容易に抜けませんが、右図のようにねじると現在の噛み合いは外れるので抜けやすくなるわけです。当然、今度は別の場所で噛み合いが起きるので、続けてねじねじすることが必要になります。

……以上は私の推測ですので、間違っているかも知れませんが、ご参考までに。

No.4 回答者： madausa 回答日時： 2013/07/26 16:45

自分でペンのフタを外して確認してみました。

おそらく引張り力は常に加えながら、そこにねじり回転を加えているでしょ。私はそのように加力しました。

引張り方向とねじり方向に同時に力をかければ、それぞれの方向への摩擦抵抗が軽減されます。それを無意識に実践しているという推測をしました。

考え方を簡略化するために。ねじり方向と引張り方向の摩擦係数が同じだと仮定します。
それから最大の摩擦力をΜとおいて、引張り方向への摩擦抵抗をΜ1、ねじり方向への摩擦抵抗をΜ2とするよ。摩擦力の最大値は引張りとねじりの合力に対する摩擦になるんだから。

（Μ1/M）^2+(Μ2/Μ)^2=1

式で表すとこういうことになります。
物理学に詳しそうなのでこれで説明になるかな。


ちなみに棒状の物体をねじるのは力を入れやすいです。抵抗力は引張りとそんなに違わないと思います。

No.3 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2013/07/26 16:11

簡単な実験を

　丸棒をもってそのまま引き抜く
　棒に糸をつけてそれに錘をぶら下げて、棒を縦にして持ち上げる---床に穴が空いていて、階下に物があるとしたら、棒を引き抜くことと同じです。さて、何キログラムの物引き上げられますか？相当握力があっても50kg程度が限界でしょう。細ければ数十キロでしょう。

　しかし、棒を横にしてベアリングか何かで支えて、手でつかんで糸を巻きつけて引き上げると、相当重いものが巻き上げられることが出来るでしょうね。腕先自体がテコの形で棒にトルクを与えられるからですね。

　

No.2 回答者： peetshop 回答日時： 2013/07/26 15:24

穴の表面には目に見えない凹凸が無数にあります。

ねじる事によってそれら凹凸がより平らに、また凹凸がかみ合わない位置になり安くなります。
平らに近くなる、もしくは互いの凹凸とかみ合わない位置になるとそれだけ触れる部分が少なくなり結果的に抵抗が減少するようになります。

これは材質にもよります
よく研磨された鋼鉄の穴と棒とかなら両者大して変わらず引き抜けます。

No.1 回答者： aokii 回答日時： 2013/07/26 15:07

まわしながら引き抜くほうが力が掛けやすいからでは？