電車が右に加速すると、中のおもりは「取り残されて」左に傾いたように見える。電車内の人にとっては、あたかも加速方向と逆向きの力(慣性力)が働いているように見える。傾き角 \(\theta\) から電車の加速度がわかる。
水平に等加速度直線運動をする電車の中で、天井から軽い糸で質量 \(m\) のおもりをつるす。糸が鉛直方向と角 \(\theta\) をなして静止しているとき:
方法1:電車内の人から見る(慣性力を使う)
おもりは静止しているので、3力(重力、張力、慣性力)のつりあい:
$$ \text{水平:} S\sin\theta = ma $$ $$ \text{鉛直:} S\cos\theta = mg $$①÷② より:
$$ \tan\theta = \frac{a}{g} \quad \therefore\, a = g\tan\theta $$② より:
$$ S = \frac{mg}{\cos\theta} $$数値例:質量 2.0 kg の物体が高さ 5.0 m から落下すると、位置エネルギーの減少は \(mgh = 2.0 \times 9.8 \times 5.0 = 98\) J。地面での速さは \(v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 9.8 \times 5.0} = \sqrt{98} \fallingdotseq 9.9\) m/s です。
地上から見ると、おもりは電車と同じ加速度 \(a\) で右に加速運動。運動方程式は:
$$ \text{水平:} S\sin\theta = ma $$ $$ \text{鉛直:} S\cos\theta - mg = 0 $$結果は慣性力を使った場合と同じ。慣性力はあくまで「加速度系での見かけの力」であり、実在する力ではない。
慣性力 \(-m\vec{a}\) は加速度系で「つりあい」の式を立てるための道具。地上系で運動方程式を立てても同じ答えになる。\(\tan\theta = a/g\) で加速度が求まるのは頻出。