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機械設計歴20年以上のtsurfと言います。
今回は以下に関する記事です。
【機械設計者のための物理基礎】
慣性力のしくみをわかりやすく解説
⇩本記事を以下の方におススメです⇩
未経験機械設計者
ガイドやロボシリンダ―
における動的モーメント
を理解したい。
⇩本記事を読むと以下が わかります⇩
動的モーメントは
慣性力を理解しないと
式も原理も理解が
進みません。
①慣性力とは
例えば車や電車が加速する場合、
後ろにGを感じると思います。
ですが慣性力は、
そのような外力が存在するわけではありません。
慣性の法則によって
引き起こされる見かけ上の力です。
管理人は中学生のころ、学校で
車が加速する際に、後にＧを感じるのは、
加速度と釣り合うために働く向心力
と教えられました。
ですが、
向心力は円運動の際回転中心に向かう加速力のことであり、
それ自体も違っていますが
加速と釣り合う云々は根本的に間違っています。
②慣性力のわかりやすい例
例として
車の後部座席に乗っているAさんが
手にボールを持って
垂直に軽く投げ上げを繰り返しています。
そして、この車外からAさんのボール投げ上げを
観測しているBさんがいます。
このボールの動きを
- 等速直線運動の場合
- 加速運動の場合
上記について
Ａさんから見た観測結果とBさんから見た観測結果、
それぞれを見て見ましょう。
③車が等速直線運動をしている場合
Aさんから見た観測結果
車が時速40Kmで等速直線運動をしているとします。
この時、手のひらから投げ上げれたボールは
手のひらの上に落ちます。
なぜなら、ボールは
車内の空気抵抗を無視すれば慣性の法則によって
車の進行方向かつ車の等速直線速度に慣性運動を
し続けようとします。
これをわかりやすく解説するために
車の外から観測しているＢさんの観測結果を
解説します。
Ｂさんから見た観測結果
車の外から車に乗っているAさんを
観測しているBさんから見ると
等速直線運動をしているAさんのボール投げ上げ運動は
以下の放物線となります。
ボールは手の平に乗っている間
手のひらとの摩擦でボールも時速40Kmまで加速され
等速直線運動をしています。
そして時速40Kmで等速直線運動をしている以上
その速度を維持します。
Ｂさんはこう思うはずです。
そりゃそうなるよ
ボールが
真上⇔真下に移動
してないよ
ボールはAさんと
等速直線運動してんだよ
つまり・・
等速直線運動をしている場合は
観測者Ａさんから見ると
停止している時と同じ物理法則が成り立つわけですね。
④車が加速運動をしている場合
ボールの挙動１
この車の加速度を4m/sec²とします。
加速してから３秒後にボールを手から投げ上げます。
加速してから３秒後に起こる興味深い現象を
みてみましょう。
加速されてから３秒後にＡさんは
ボールの手の平のボールを投げ上げます。
この瞬間起こる出来事は
ボールはこの瞬間から加速されなくなります。
今まではＡさんの手の平との摩擦で
一緒に加速していましたが、
投げ上げられたことで加速が止まります。
この時のボールの速度は
４m/sec²×3sec=12m/sec
となります。
つまり、
このボールは12m/secで慣性運動をしようとします。
ですが、この後は
車の座席に座っているAさんは、
車の座席の摩擦とシートの背もたれ部に押されるので
車によってさらに加速されます。
ボールの挙動2
では、次に加速してから５秒後のボールの挙動を
みてみましょう。
Ａさんとボールの運動の違いは
ボールがＡさんの手の平を離れたのが３秒後
の時点で
- ボールは慣性運動になってしまっていること
- Ａさんは加速運動であること
従って５秒後は
ボールの速度は
12m/sec
Aさんの速度は
４m/sec²×5sec=20m/sec
となり、以下のような関係性となります。
Aさんから見た観測結果
Aさんから見たボールの動きは以下となります。
Ａさんから見ると、後ろに重力が働いているように
見えますね。
これが、
車の加速時に後ろに重力を感じる理由なのですが
これについては以下の記事で解説します。
なお、遠心力も慣性力です。
これについては以下の記事で解説します。
ですが、先ほどの説明から見たように
後に重力を感じるのは慣性によって生じる
結果論であり、そのような力は存在しません。
このことは、Ｂさんの観測結果から見ると
よくわかります。
Ｂさんから見た観測結果
Ｂさんから見た観測結果は以下となります。
Ｂさんはこう思うはずです。
そりゃそうなるよ
ボールが
後に移動してないよ
Ａさんが加速して
ボールより
前にいってるんだよ
慣性系と非慣性系
この時に等速直線運動 もしくは停止状態のAさんの座標系（視点）を
慣性系
実際に加速をする自動車に乗っているＢさんの座標系（視点）を
非慣性系
と言います。
慣性系は、今回解説した加速時に掛かる後方への重力や遠心力などの
慣性力が掛かっていません。
もっとも完全な慣性系とは宇宙空間で重力の影響すらなく等速直線運動
をしている物体の視点です。
まぁ、 地球上にいる限り重力があるので完全な慣性系ではありませんが
加速する物体に対して相対的に慣性系となります。
非慣性系は加速する物体から見た視点となります。
この座標系では、慣性力が掛かります。
地球上において慣性系視点か非慣性視点かは
慣性力が掛かっているかどうかの違いだということですね。
なお遠心力は慣性力です。
⑤見かけ上の力：慣性力
慣性力とは、
そのような外力が存在するわけではなく、
加速運動している観測者が感じる
見かけ上の力となります。
外から停止して見ている観測者からは
慣性力という言葉を使わず
極めて論理的に説明ができてしまいます。
ですが、この慣性力は
見かけ上の力と言えど物理学的には力と等価と考えてよく
上記例題の場合、ボールに掛かる加速度は
車の加速度と同じ4m/secとなります。
この車内にあるものは
物体の形状や大きさ 質量に関わらず
全て4m/sec²の加速度が掛かります。
これはちょうど地球上にある物体全てに
物体の形状や大きさ 質量に関わらず
全て9.8m/sec²の加速度が掛かるのに似てますね。
