てこ（単純機械）：原理、種類、用途、歴史

構成要素と力学的原理

てこの基本要素は、棒（または腕）、支点（回転軸）、力点（加える力）、作用点にかかる荷重（抵抗力）である。てこの働きは、力と支点からその力の作用線までの垂直距離との積であるモーメント（トルク）によって説明される。加えた力によるトルクと荷重によるトルクが釣り合うとき、てこは平衡状態にある。機械的有利さ（MA）は、次の簡単な式で表される。MA＝力点から支点までの距離÷荷重から支点までの距離。MAが1より大きければ、てこは力を増幅し、1より小さければ、代わりに動きを増幅する。

てこの種類

てこは、支点・力点・荷重の相対的な並び順により、一般に3種類に分類される。

• 第一種てこ：支点が力点と荷重の間にあるもの（例：シーソー、バール）。腕の長さに応じて、機械的有利さは1より大きくも、小さくも、1と等しくもなりうる。
• 第二種てこ：荷重が支点と力点の間にあるもの（例：手押し車、くるみ割り器）。これらは距離を犠牲にして力を得るため、機械的有利さは常に1より大きい。
• 第三種てこ：力点が支点と荷重の間にあるもの（例：ピンセット、釣り竿、人の前腕）。一般に機械的有利さは1より小さいが、速度と運動範囲の点で有利である。

歴史と発展

てこは、基本的な道具として古代から理解されてきた。古代の技術者や哲学者はその働きを研究し、古典期の著作家は、てこの力学についての明確な分析をアルキメデスなどの思想家に帰している。アルキメデスは平衡の原理を探究し、十分に離れた位置で小さな力を加えれば大きな重りを動かせるという見解とも、しばしば結び付けられる。何世紀にもわたり、てこの原理は道具、機械、測定器具の設計に活用されてきた。

用途と例

てこは、単純な天秤やシーソー、バールやこじり棒、手押し車、はさみ（複合てこ）、ペンチなど、数え切れない装置に見られる。また、骨と関節を含む人体の多くの部位も、てことして働く。技術者は、リンク機構や制御系でもてこの概念を用いる。測定において、棒ばかり式の天秤は重さを直接測るのではなく、トルクを釣り合わせることで質量を比較する。

重要な区別と実用上の注意

てこを理解するには、力の幾何学的関係と方向に注意を払う必要がある。腕の長さのわずかな変化でも、機械的有利さに大きく影響する。てこは、車輪と軸、滑車、斜面、くさび、ねじと並ぶ、古典的な6種類の単純機械の一つである。てこの原理に関する入門資料や実演については、単純機械に関する追加資料を参照。