ゼロからの高校物理 / 物理 / 円運動と単振動

等速円運動(向心力)

要点

向心加速度a = rω2 = v2r円の中心を向きます。
向心力F = mrω2 = mv2r円の中心を向く合力です。
中心を向く向き中心向きの力の和 = mrω2(または mv2/r)
中心に垂直な向き力はつり合う

1向心力

等速円運動をする物体には、円の中心を向く合力がはたらいています。この合力を向心力といい、大きさは F = mrω2 = mv2/r です。

なめらかな水平の台の上で、質量 0.50 kg の球に長さ 0.50 m の糸を付け、糸の端を台の中心のくぎに留めます。球は、くぎのまわりを、半径 0.50 m の円の上で、一定の速さ 3.0 m/s で回っています。このように、円の上を一定の速さで回る運動を、等速円運動といいます。

なめらかな水平の台を斜め上から見た絵。中心のくぎに留めた長さ0.50メートルの糸の先で、0.50キログラムの球が速さ3.0メートル毎秒で円を描いて回っている 3.0 m/s 0.50 kg 糸 0.50 m

速度の向きは、その点で円に引いた接線(円にその 1 点だけで触れる直線)に沿った、進む向きです。等速円運動では、速さは一定でも、速度の向きが変わり続けます。だから加速度があり、その向きは円の中心です。これを向心加速度といいます。向心加速度の大きさ a は、円の半径 r と速さ v を使って、a = v2/r です。角速度 ω(オメガ)は、1 s あたりに回る角です(単位 rad/s)。v = rω なので、a = rω2 とも書けます。この球では、a = v2/r = 3.02 ÷ 0.50 = 18 m/s² です。

運動方程式 ma = F は、「質量 × 加速度 = 合力」で、加速度と合力は同じ向きです。だから、等速円運動をする物体にはたらく力の合力は、円の中心を向いています。合力の大きさは、向心加速度 a = rω2 = v2/r に質量 m を掛けて、次の式になります。

F = mrω2 = mv2r

この球では、F = ma = 0.50 × 18 = 9.0 N で、中心を向いています。

円の中心を向くこの合力を、向心力といいます。向心力は、重力や糸が引く力と並ぶ、別の種類の力ではありません。物体にはたらいている力の合力に付けた呼び名です。

球にはたらく重力と、台が押す力(垂直抗力)は、上下の向きでつり合っています。水平の向きにはたらく力は、糸が引く力だけです。だから、この球では、糸が引く力 9.0 N が向心力です。

糸を切ると、球には水平の向きの力がはたらかなくなります。力がはたらかない物体や、はたらく力がつり合っている物体は、そのときの速度のまま進み続けます(慣性の法則)。

下の図で、球を回す速さを変えると糸が引く力がどう変わるか、糸を切ると球がどう動くかを確かめます。

なめらかな台の上で、0.50キログラムの球が中心のくぎに留めた糸に引かれ、半径0.50メートルの円を回る図。回す速さを変えると糸が引く力の大きさを表示し、糸を切ると球はその場所からまっすぐ進む なめらかな台 糸 くぎ 0.50 kg 糸が引く力(向心力) v

上から見た図です。重力と垂直抗力は描いていません(上下でつり合っています)。動きは実際の 1/2 の速さで見せています。

糸が引く力の大きさ

やってみよう

回す速さを 1.0 m/s にして、糸が引く力を読んでください。次に、2.0 m/s に変えてください。糸が引く力は何倍になりましたか。そのあと「糸を切る」を押して、球がどの向きへ進むかを見てください。

分かること

1.0 N から 4.0 N へ、4 倍になりました。F = mv2/r なので、速さが 2 倍になると力は 2 × 2 = 4 倍です。糸を切ると、球は切った瞬間の速度の向き(切った点での円の接線の向き)にまっすぐ進みます。糸の向き(半径の向き)にまっすぐ外へ飛び出すのではありません。

確認

向心力は、重力や糸が引く力とは別の、もう 1 つの力ですか。

答え

いいえ。はたらいている力の合力の呼び名で、図の球では糸が引く力が向心力です。

例題

なめらかな水平面の上で、質量 0.20 kg の球に長さ 0.40 m の糸を付け、糸の端を固定して、角速度 5.0 rad/s で等速円運動させました。糸が球を引く力の大きさを求めなさい。

  1. 球は、糸の長さ 0.40 m を半径とする円の上を回ります。
  2. 中心向きの力は糸が引く力だけで、これが向心力です。
  3. F = mrω2 に入れると、F = 0.20 × 0.40 × 5.02 = 2.0 N です。

答え: 2.0 N

2向心力になる力の見つけ方

向心力になる力は場面ごとに違います。はたらく力をすべて描き、中心向きの成分の和を mrω2 と等しいとおきます。

項目1 の球では、糸が引く力が向心力でした。向心力になる力は、場面によって違います。次の 2 つの場面で見てみます。

水平に回る円い台(回転台)が、一定の角速度 3.0 rad/s で回っています。中心から 0.30 m の所に、質量 0.10 kg の小さな物体を置きます。物体は台の上ですべらず、台と一緒に回っています。

角速度3.0ラジアン毎秒で反時計回りに回る回転台を斜め上から見た絵。中心から0.30メートルの所に、0.10キログラムの小さな物体がのっている 0.30 m 0.10 kg 3.0 rad/s

物体にはたらく力は、重力、台が押す力(垂直抗力)、台の面からの静止摩擦力です。重力と垂直抗力は上下の向きで、つり合っています。物体が円の中心向きに加速するには、中心向きの力が要ります。水平の向きの力を出せるのは、台の面だけです。だから、静止摩擦力が中心を向き、これが向心力になります。

天井から糸でおもりをつるし、おもりが水平な円の上を回るようにします。糸は、円すい(とんがり帽子の形)の側面をなぞるように回ります。これを円すい振り子といいます。おもりにはたらく力は、重力と、糸が引く力の 2 つです。糸が引く力の大きさを S と書きます。円の中心は、おもりと同じ高さで、糸をつるした点の真下にあります。重力と糸が引く力の合力が、水平に円の中心を向き、これが向心力になります。

向心力になる力は、次の手順で見つけます。

  1. 物体が回る円の、中心と半径を決めます。
  2. 物体にはたらく力を、すべて描きます。「向心力」という矢印は描き足しません。
  3. 円の中心を向く向きと、それに垂直な向き(上下など)に、力を分けます。
  4. 中心を向く向きは「中心向きの力の和 = mrω2(または mv2/r)」、上下の向きは「つり合い」の式を立てます。

回転台の物体(中心から 0.30 m、0.10 kg)と台の間の静止摩擦係数を、μ(ミュー)= 0.50 とします。中心向きに必要な力は、mrω2 = 0.10 × 0.30 × 3.02 = 0.27 N です。静止摩擦力には上限があり、すべり出す直前の最大摩擦力は f0 = μN です(N は垂直抗力の大きさ)。台の上の物体では、上下のつり合いから N = mg なので、重力加速度の大きさ g = 9.8 m/s² を使って、f0 = 0.50 × 0.10 × 9.8 = 0.49 N です。必要な 0.27 N は 0.49 N より小さいので、静止摩擦力 0.27 N が向心力になり、物体はすべらずに回ります。

置く位置を外にするほど、r が大きくなり、必要な力 mrω2 が大きくなります。必要な力が最大摩擦力 0.49 N を超えると、静止摩擦力では足りません。物体は台の上をすべり、台に対して外側へずれていきます。

下の図で、物体を置く位置を変えて、すべらずに台と一緒に回れるかを確かめます。

角速度3.0ラジアン毎秒で回る回転台に、0.10キログラムの物体を置く図。置く位置を変えると、中心向きに必要な力と最大摩擦力を表示し、必要な力が最大摩擦力を超えると物体が外へすべる 上から見た図 回転台(角速度 3.0 rad/s) 回る向き 中心 すべって外へずれました 回転台を横から見た図。物体には下向きの重力0.98ニュートン、上向きの垂直抗力、回転の軸の向きの静止摩擦力がはたらく。板の下の「力の大きさを比べる」帯では、中心向きに必要な力の長さの棒と、最大摩擦力0.49ニュートンの所の破線を並べる。必要な力が最大摩擦力を超えると静止摩擦力の矢印は描かない 横から見た図(物体が物差しの右側に来た瞬間) 回転の軸 最大摩擦力 必要な力 力の大きさを比べる 重力0.98 N 垂直抗力 静止摩擦力(向心力) 必要な力 > 最大摩擦力

物体は 0.10 kg、静止摩擦係数は 0.50 で、最大摩擦力は 0.49 N です。物体の大きさは考えません。すべった後の動きは目安です。

中心向きに必要な力 最大摩擦力

やってみよう

置く位置を 0.30 m から少しずつ外へ変えて、物体がすべらずに台と一緒に回れる、一番外側の位置を探してください。そのときの、中心向きに必要な力はいくつですか。

分かること

0.50 m です。必要な力は 0.45 N で、最大摩擦力 0.49 N より小さいです。0.60 m では必要な力が 0.54 N になり、最大摩擦力を超えるのですべります。

確認

回転台の上ですべらずに回っている物体には、重力・垂直抗力・静止摩擦力がはたらいています。このうち、向心力になっているのはどれですか。

答え

静止摩擦力です。重力と垂直抗力は上下の向きで、中心向きの成分がありません。

例題

長さ 0.40 m の糸の先に、質量 0.10 kg のおもりを付けて天井からつるし、円すい振り子にしました。糸は鉛直の向きと 60° の角をなしています。糸が引く力の大きさ S と、おもりの角速度 ω を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s²、三角比の値は cos 60° = 0.50 です。

長さ0.40メートルの糸が鉛直と60度をなす円すい振り子の図。おもりには重力と糸が引く力Sがはたらき、Sの上向きの成分と、円の中心を向く水平の成分を破線で示す 鉛直 O r 60° 0.40 m S cos 60° S sin 60°(向心力) S 重力 mg
  1. 図の r が円の半径で、r = 0.40 × sin 60° です。
  2. おもりにはたらく力は、重力 mg と糸が引く力 S の 2 つです。
  3. S を、上向きの成分 S cos 60° と、中心を向く水平の成分 S sin 60° に分けます。
  4. おもりは上下には動かないので、上下はつり合っていて、S cos 60° = mg です。
  5. S × 0.50 = 0.10 × 9.8 なので、S = 1.96 N です。与えた数(0.40 m、0.10 kg)が 2 桁なので、答えも 2 桁に丸めて ≒ 2.0 N です。
  6. 中心を向く向きでは、S sin 60° = mrω2 = m × 0.40 × sin 60° × ω2 です。
  7. 両辺の sin 60° を消すと、S = m × 0.40 × ω2 です。
  8. 丸める前の 1.96 N を使うと、1.96 = 0.10 × 0.40 × ω2 なので、ω2 = 49 で、ω = 7.0 rad/s です。

答え: 糸が引く力 2.0 N、角速度 7.0 rad/s

練習問題

重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とします。

パターン1 向心力の大きさ

問1なめらかな水平の台の上で、質量 0.50 kg の球に長さ 0.50 m の糸を付け、糸の端を台の中心のくぎに留めて、速さ 4.0 m/s で等速円運動させました。球の向心加速度の大きさと、糸が球を引く力の大きさを求めなさい。

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向心加速度 32 m/s²、糸が引く力 16 N

向心加速度は a = v2/r = 4.02 ÷ 0.50 = 32 m/s²。重力と垂直抗力は上下でつり合うので、中心向きの力は糸が引く力だけ。糸が引く力は F = ma = 0.50 × 32 = 16 N

問2なめらかな水平面の上で、質量 0.20 kg の球に糸を付け、糸の端を固定して、半径 0.50 m の円の上で等速円運動させます。糸は、引く力が 10 N を超えると切れます。糸が切れずに回せる最大の速さを求めなさい。

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5.0 m/s

糸が引く力が向心力なので、F = mv2/r。F が 10 N のときが最大の速さなので、10 = 0.20 × v2 ÷ 0.50。v2 = 10 × 0.50 ÷ 0.20 = 25 なので、v = 5.0 m/s

パターン2 向心力になる力を見つける

問3水平に回る回転台の、中心から 0.20 m の所に、質量 0.050 kg の物体を置きました。物体と台の間の静止摩擦係数は 0.40 です。回転台の角速度を少しずつ大きくしていきます。物体がすべらずに台と一緒に回れる、最大の角速度を求めなさい。

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4.4 rad/s

向心力は静止摩擦力。上下のつり合いから垂直抗力は N = mg なので、最大摩擦力は μmg。すべらない最大の角速度では、mrω2 = μmg。両辺の m を消すと rω2 = μg なので、ω2 = μg ÷ r = 0.40 × 9.8 ÷ 0.20 = 19.6。ω = √19.6 = 4.42… ≒ 4.4 rad/s

質量 m は式から消えるので、答えは物体の質量によりません。

問4天井から糸でつるした質量 0.20 kg のおもりが、円すい振り子として、半径 0.40 m の水平な円の上を等速円運動しています。糸は鉛直の向きと 45° の角をなしています。おもりの速さを求めなさい。三角比の値は sin 45° = cos 45° です。

糸が鉛直と45度をなし、おもりが半径0.40メートルの水平な円を回る円すい振り子の図 鉛直 O 0.40 m 45°
答えを見る

2.0 m/s

おもりにはたらく力は重力 mg と糸が引く力 S。上下のつり合いから S cos 45° = mg。中心向きでは S sin 45° = mv2/r。sin 45° = cos 45° なので、S sin 45° = S cos 45° = mg。だから mg = mv2/r で、両辺の m を消すと v2 = gr = 9.8 × 0.40 = 3.92。v = √3.92 = 1.97… ≒ 2.0 m/s

つまずきやすいところ

まとめ

要点

向心加速度a = rω2 = v2r円の中心を向きます。
向心力F = mrω2 = mv2r円の中心を向く合力です。
中心を向く向き中心向きの力の和 = mrω2(または mv2/r)
中心に垂直な向き力はつり合う

物理 第4章 円運動と単振動

  1. 等速円運動
  2. 等速円運動(向心力)
  3. 慣性力と遠心力
  4. 鉛直面内の円運動
  5. 単振動
  6. 単振動(速度・加速度,復元力)
  7. ばね振り子と単振り子
  8. 単振動のエネルギー
  9. 単振動の応用
  10. 単振動の応用(2)

高校物理の単元の一覧