物理 > 動く解説 > 物理 第1編 力と運動|第4章 円運動と万有引力
なめらかな床の上に,なめらかな斜面をもつ台(質量 \(M\))を置き,斜面に質量 \(m\) の小物体をのせる。小物体がすべり下りると,台は右へ加速度 \(A\) で動き出す。台に乗った人から見ると,小物体にはどんな力がはたらいている?
力は,重力 \(mg\) と垂直抗力 \(N\) の 2 つだけ。
この 2 つに,慣性力 \(mA\)(左向き)を足して 3 つ。
台は右へ加速するので,慣性力は左向き。台の加速度と逆向きだ。
なぜ慣性力を足すのか。地面から見た動きと台から見た動きをくらべると分かる。
地面から見て(解説①),台に乗って見て(解説②),台の上で立てる式を決める(解説③)。
重力 \(mg\) と垂直抗力 \(N\)。慣性力はない。
小物体は斜面に沿っては動かず,もとの斜面より急な向きに下りる。
斜面が離れていくぶん,斜面に垂直な向きにも加速度がある。
だから,その向きの力はつりあわない。
小物体は,斜面に沿ってまっすぐすべり下りる。
台は右へ加速しているので,台の上の物は左へ引かれて見える。
この見かけの力が慣性力。大きさは \(m\) と \(A\) の積。
\((\text{慣性力の大きさ}) = mA\)
台の加速度は右向き,慣性力は左向き。
台から見ると,小物体は浮きも沈みもしない。
\(mg\),\(N\),\(mA\) の垂直な成分がつりあう。
斜面に沿っては加速するので,運動方程式を立てる。
慣性力を足すのは,台から見るときだけ。地面から見て足すと,力を二重に数えてしまう。
ショートでは扱わなかった先の話。地面から見て式を立てても同じになること,慣性力が「見かけの力」であること。
斜面に垂直な向き(斜面から離れる向きを正)で,地面から見た運動方程式を立てる。
小物体は斜面から離れないので,垂直な向きには台と同じだけ動く。
台の加速度 \(A\)(右向き)の垂直な成分は \(-A\sin\theta\)。
\(m \times (-A\sin\theta) = N - mg\cos\theta\)
\(N + mA\sin\theta = mg\cos\theta\)
台から見たつりあいと同じ式。\(mA\sin\theta\) が慣性力の成分。
慣性力は,運動方程式の「\(ma\)」の項を,力の側へ移したもの。台から見れば,加速度の代わりに力として扱える。
慣性力を及ぼしている物体はない。だから反作用もない。
地面から見るときは足さない。立場を決めてから力を書く。