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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】
遠心力は慣性力である
⇩本記事を以下の方におススメです⇩
未経験機械設計者
ワークに掛かる
遠心力を計算したいけど
そもそも遠心力が
わからない
⇩本記事を読むと以下が わかります⇩
遠心力とは
実際にそのような
外力があるわけでは
ありません。
①遠心力について
遠心力は実は慣性力と呼ばれる見かけ上の力の1種です。
実際にはそのような力は働いていません。
物体は慣性の法則により等速直線運動を
したがりますが、これによって引き起こされる現象です。
このことを理解するために
- メリーゴーランドに乗っているＡ子さん
- それを停止して観測しているＢさん
それぞれの視点から見てみましょう。
基本となる円運動については以下の記事を御参照ください。
②メリーゴーランドでＡ子さんに起こっていること
メリーゴーランドなどの
円運動を微小時間でみると本来
物体Mは常に円運動により接線速度vで矢印1に
慣性運動によって移動しようとします。
なので微小時間⊿t秒後は、Ａ子さんは
本来は接線方向に吹き飛ばされて、
Ｂ地点にいたいのです。
しかし、上記のように
円運動による向心力により中心方向に引っ張られ
Ａ地点にいることになります。
③Ｂさんの視点とA子さんの視点
つまり、Ｂさんが目撃しているのは
Ａ子さんは遠心力によって吹き飛ばされているのではなく
常にＢ地点に飛び出そうとしているのは実はＡ子さんのほうであり、
Ａ子さんは向心力によって中心に引き戻されている
という事実です。
なのでＢさんから見ると
Ａ子さんの挙動を極めて理論的に説明できてしまいます。
なので、A子さんが
メリーゴーランドが
回ったら外側に重力を
かんじたよ
と言ったとしたら
Ｂさんはこうこう答えるでしょう。
いやいや、A子さんが外側に
飛び出そうとしてんのを
向心力が中心に引っ張てたんだよ
この時に遠心力を含む加速運動によってひきおこされる
慣性力を受けている視点を非慣性系といいます。
今回の例の場合 A子さんの視点は非慣性系となります。
(円運動は加速度の向きが変わる変加速度運動)
逆に停止、もしくは等速直線運動の場合は慣性力を受けません。
この場合の視点を慣性系といいます。
今回の例の場合 Ｂさんの視点は慣性系となります。
④見かけ上の力：遠心力(慣性力)
遠心力(慣性力)とは、そのような外力が存在するわけではなく、
円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遠心力(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、この遠心力(慣性力)は見かけ上の力と言えど物理学的には
重力と等価と考えてよく、上記例題の場合、メリーゴーランドの中で
メリーゴーランドの回転速度を10秒間で１回転 と仮定すると
- メリーゴーランドの角速度ωは２π/10＝π/5(1/sec)
となります。そして
- メリーゴーランドの回転半径をｒ＝3(m)
と仮定すると
円運動している全ての物体に掛かる加速度は
a(m/sec²) = r(m) × ω(1/sec）²
a(m/sec²) =3×3.14÷5
a(m/sec²) ≒1.9(m/sec²)
となります。
このメリーゴーランドで円運動する物体は
物体の形状や大きさ 質量に関わらず全て1.9m/sec²の加速度が
円運動の外側に掛かります。
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。
遠心力の補足記事です。
遠心力によって糸が破断するという現象について
慣性力である遠心力ではなく、非慣性系からみた場合の
解説をします。
