自由体図とは何かを徹底解説｜初心者でもわかる基本ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

自由体図とは何か

自由体図とは物理学で物体に働く力を整理するための図です。物体そのものを一点の点として扱い、外部から作用する力だけを矢印で表します。この図を使うことで力の方向や大きさを直感的に理解でき、運動の式を立てる手助けになります。

自由体図を描くときの基本ルール

まず描く対象の物体を一点に置きます。次にその物体に働くすべての力を矢印で示します。矢印の方向は力の向きと等しく、矢印の長さは力の大きさに比例します。矢印は物体の中心から出しますが、力の種類によって矢印の位置を工夫します。重要なのは外部からの力だけを描くことであり、物体の重心の移動や回転は別の図で扱います。

描くときの注意点は以下の点です。力には重力や法線力、摩擦力、張力などがあり、それぞれ方向と性質が異なります。自由体図を描くときは仮想的に他の物体を切り離して考えると理解が進みます。

自由体図の要素と矢印の意味

自由体図には主に次の要素が含まれます。物体の質量による重力は地球の中心の方向に下向きの矢印で表します。接触している面から生じる法線力は上向きです。滑りやすさを表す摩擦力は接触面に沿う方向に現れます。紐やロープが引く張力は紐の方向に沿って矢印を描きます。これらの矢印をすべて足し合わせると力の合成が得られ、運動方程式へとつながります。

力の名前	意味	矢印の向きの例
重力	地球が物体を引く力	下向き
法線力	接触により生じる垂直方向の反発	上向き
摩擦力	接触面に沿って生じる抵抗の力	接触面に沿って水平または斜めの方向
張力	紐やロープが物体を引く力	紐の方向

実例で学ぶ自由体図

机の上に置かれたノートを例にとります。ノートには自重があり下向きに重力が働きます。ノートと机の接触面には法線力が上向きに働き、もしノートが滑りやすい机なら摩擦力が水平方向に働くことがあります。外力として風が吹いていれば風圧の力も自由体図に加えることができます。これらの力を図に描き、それぞれの矢印の長さを仮に定めてから図を読み解きます。

数式と結びつける考え方の例は次のとおりです。水平方向の力を Fx, 垂直方向の力を Fy と書くとき、自由体図の力の合計はまず水平方向の合力と垂直方向の合力で分けて考えます。静止している場合は ΣF = 0 となり、運動している場合は ΣF = ma となります。ここで m はノートの質量、a は加速度です。

よくある誤解とポイント

自由体図は物体の運動を決定する力の総和を表す地図です という認識を持つことが大切です。自由体図だけで長さの比を正確に読めるわけではなく、実際の値を決めるには計算が必要です。力の方向を間違えると運動の予測が大きく外れるので、矢印の方向には特に注意しましょう。

練習問題の考え方

自由体図を描く練習として日常の場面を思い浮かべてみましょう。例えば天井から吊るされた風船や車が止まっている場面などです。まず物体を決め、次に働く力を列挙します。次に支点を探し、最後に方程式を立てて解く練習をします。

日常での活用のコツ

自由体図は授業だけでなく日常の現象を考えるときにも役立ちます。自分がどの力を受けているかを視覚化すると椅子の安定性や荷物の動きを予測するのにも役立ちます。

まとめ

自由体図は物理の基礎的な道具であり、力の向きと大きさを視覚的に整理するのに役立ちます。描き方の基本は物体を一点にまとめ、働くすべての力を矢印で表すこと。重力法線力摩擦力張力などの力の種類とその特徴を覚え、実例から練習を重ねると理解が深まります。

自由体図の同意語

自由体図: 物体を切り離して、その物体に作用する外力だけを矢印で示した図。力の大小と方向を整理する基本図で、運動方程式を立てるときの出発点になります。
受力図: 同じく、物体に働く外力を集約して示す図。自由体図と意味はほぼ同義に使われ、問題の解法の準備段階として用いられます。
力の作用図: 物体に働く力の方向と大きさを視覚的に示す図。自由体図と同様の目的で使われ、外力の整理に役立ちます。
フリーボディダイアグラム: Free Body Diagram のカタカナ表現。英語由来の表現で、同じく自由体図を指します。
FBD: Free Body Diagram の略。教材や問題文で略語としてよく使われる表現。意味は自由体図と同じです。

自由体図の対義語・反対語

拘束体図: 自由体図の対義語として、対象物を周囲の拘束条件（支点・接続・境界条件）とともに表す図。自由体図が物体を切り離して外力だけを扱うのに対し、拘束体図は系の結合や拘束力を含めて描くことが多い。
全体図: 系全体を一つの図として示す図。自由体図の“分離して調べる”視点とは異なり、部品間の連携・相互作用を俯瞰できる。
接続図: 部品同士の接続・継ぎ目・結合状態を示す図。自由体図が単体を描くのに対し、接続図は連携の様子を強調する。
連結図: 部品間の連結関係・リンク構造を表す図。自由体図の孤立した見方に対して、実際の連結状況を示す点が特徴。
組立図: 部品の組み立て方・取り付け順序を示す図。自由体図が分析用の断片化を目的とするのに対し、組立図は完成品の構造を示す。
境界条件図: 支持点や荷重の適用位置、制約条件を視覚化した図。実務上、自由体図と合わせて境界条件を明確化する用途で用いられる。
系統図: 系全体のネットワークや部品間の関係性を示す図。自由体図の局所的な切り離しに対して、全体の流れや結合を俯瞰する目的で使われる。