教科書(物理) 問23:遠心力

解法

直感的理解

メリーゴーラウンドに乗ると、外側に引っ張られる感じがします。これが遠心力です。地上の人(慣性系)から見れば物体は円運動していて向心力だけが必要ですが、回転系に乗った人から見ると物体は静止しており、向心力と遠心力がつりあっているように見えます。

Step 1:慣性系での運動方程式

m = 0.20 kg, v = 2.0 m/s, r = 0.50 m として、地上の観測者(慣性系)では向心力のみが必要です:

$$F = m\frac{v^2}{r} = 0.20 \times \frac{(2.0)^2}{0.50} = 1.6 \text{ N(中心向き)}$$

Step 2:回転系での運動方程式

回転する座標系では物体は静止して見えるので、向心力と遠心力がつりあいます:

$$F_{\text{向心}} - f_{\text{遠心}} = 0$$ $$f = m\frac{v^2}{r} = mr\omega^2 = 1.6 \text{ N(中心から外向き)}$$

Step 3:遠心力の公式

角速度 \(\omega = v/r = 2.0/0.50 = 4.0\) rad/s を使うと:

$$f = mr\omega^2 = 0.20 \times 0.50 \times (4.0)^2 = 0.20 \times 0.50 \times 16 = 1.6 \text{ N}$$
答え
$$f = m\frac{v^2}{r} = mr\omega^2 = 1.6 \text{ N(中心から外向き)}$$
補足:遠心力は「見かけの力」

遠心力は慣性力の一種で、回転座標系でのみ現れます。慣性系(地上)から見れば遠心力は存在しません。

回転座標系で静止している物体のつりあいの式:

$$\sum F = 0 \quad \Rightarrow \quad F_{\text{向心}} - f_{\text{遠心}} = 0$$

慣性系と回転系のどちらで解いても答えは同じになります。問題に応じて使いやすい方を選びましょう。ボタンで視点を切り替えて、同じ現象が異なる座標系でどう見えるか確認しましょう。

Point

遠心力 \(f = mr\omega^2\) は回転座標系での見かけの力。大きさは向心力と同じで向きは逆(外向き)。慣性系と回転系、どちらの立場で解くかを明確にすることが重要です。