基本問題162 遠心力

自転車がカーブを走るときの遠心力

直感的理解
自転車がカーブを曲がるとき、自転車に乗っている人(回転系の観測者)は外向きに遠心力を感じます。遠心力は \(mv^2/r\) で、速さの2乗に比例します。地面の摩擦力が向心力を担い、回転系ではこの摩擦力と遠心力がつり合って静止しているように見えます。

設定:自転車が速さ \(v = 20\) m/s で半径 \(r = 800\) m の円弧上の道を走る。質量 \(m = 60\) kg の運転手が受ける遠心力の大きさを求める。

遠心力の計算

遠心力は回転系(自転車と一緒に動く系)から見た見かけの力で、大きさは向心力と同じで向きは外向きです:

$$ F = \frac{mv^2}{r} $$

数値を代入します:

$$ F = \frac{60 \times 20^2}{800} = \frac{60 \times 400}{800} = \frac{24000}{800} = 30 \text{ N} $$
答え:
$$F = 30 \text{ N}$$
補足:力の見落とし防止チェックリスト

力を列挙する際は、①重力 ②垂直抗力 ③張力 ④摩擦力 ⑤弾性力 の順に確認し、接触力と遠隔力を分けて図示すると見落としを防げます。

Point

遠心力は「回転する系」での見かけの力。大きさは \(\dfrac{mv^2}{r} = mr\omega^2\)、向きは円の中心から外向き。地上の慣性系では遠心力は存在せず、摩擦力(向心力)のみが働く。