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

台に乗って見ると,力は?

❓ 1. 疑問と結論

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?

🎯 結論:慣性力を足す

台に乗って見る(非慣性系)なら,重力と垂直抗力に慣性力を足す。大きさは \(mA\),向きは台の加速度と逆。
💡
慣性力……加速する立場から見るときに足す,見かけの力。大きさは(物体の質量)×(立場の加速度),向きは立場の加速度と逆。
  • 🌍 地面から見ると(慣性系)

    力は,重力 \(mg\) と垂直抗力 \(N\) の 2 つだけ。

  • 🧍 台に乗って見ると(非慣性系)

    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。

📚 2. 解説

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)。

🌍 解説①:地面から見ると(慣性系)

  1. 力は 2 つだけ

    重力 \(mg\) と垂直抗力 \(N\)。慣性力はない。

  2. 台が右へ逃げる

    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。

  3. 垂直な向きにも加速

    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。

🧍 解説②:台に乗って見ると(非慣性系)

  1. 台は止まって見える

    小物体は,斜面に沿ってまっすぐすべり下りる。

  2. 左へ引かれて見える

    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。

  1. 慣性力を足す

    この見かけの力が慣性力。大きさは \(m\) と \(A\) の積。

    \((\text{慣性力の大きさ}) = mA\)

  2. 向きは台の加速度と逆

    台の加速度は右向き,慣性力は左向き。

⚖️ 解説③:垂直はつりあい,平行は運動方程式

  1. 垂直な向きは動かない

    台から見ると,小物体は浮きも沈みもしない。

  2. 垂直:力のつりあい

    \(mg\),\(N\),\(mA\) の垂直な成分がつりあう。

  3. 平行:運動方程式

    斜面に沿っては加速するので,運動方程式を立てる。

加速する台の上では,慣性力を足して,斜面に垂直な向きは力のつりあい,平行な向きは運動方程式。
⚠️ 要注意!

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。

🔑 まとめ

🔍 3. もっと詳しく

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。

🧮 地面から立てても,同じ式になる

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。

  1. 垂直な加速度

    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 \(-A\sin\theta\)。

  2. 地面から見た運動方程式

    \(m \times (-A\sin\theta) = N - mg\cos\theta\)

  3. 左辺を右へ移す

    \(N + mA\sin\theta = mg\cos\theta\)

    台から見たつりあいと同じ式。\(mA\sin\theta\) が慣性力の成分。

💬 補足

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。

👻 慣性力は「見かけの力」

💬 補足

台が止まっていれば(\(A = 0\)),慣性力は 0。ふつうの斜面の問題と同じになる。

もとの入試問題の解説(リードα 応用問題175)。