慣性力   関連問題


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2つの座標系MNがあって、質量mの物体Pが座標系Mにおいて、を受けて加速度で運動していたとすると、
 
運動方程式 ・・・@
座標系
Mに対して、座標系Nは物体Pとともに運動しているとすると、座標系N上では物体Pは静止して観測されるから、力のつり合いが成立するはずである。は相変わらず働くから、@と矛盾しない式を立てるためには、
 力のつり合い:
・・・A
となる必要がある。この式の中の、
慣性力と言う。つまり、加速度で運動する座標系上では、加速度と逆向きの見かけのを感じる。
一般に、座標系
Mにおいて、質量mの物体が力を受けて加速度で運動していたとすると、座標系Mにおいて、
 
運動方程式
が成立する。座標系
Mに対して加速度で動いている座標系N上における物体の加速度とすると、運動方程式は、
 
になる。

力のつり合いが成立しているとき、物体が等速度運動するか静止を続ける座標系
(つまり、慣性の法則が成り立つ座標系)慣性系と言う。それに対して、慣性力を付け加えなければ、慣性の法則が成り立たない座標系を非慣性系と言う。慣性系に対して等速度運動している座標系は慣性系である。

[1] 自由落下している宇宙船(加速度)内では、無重力状態になる。質量mの物体が宇宙船内にあるとして、重力以外に、慣性力も入れて、力のつり合いの式は、となる。
[2] 加速度aで上昇しているエレベータ内では、質量mの物体に鉛直下向きの重力の他に、鉛直下向きの慣性力が働き、エレベータの床から受ける垂直抗力Nとするつ、この物体に働く力のつり合いは、
となり、となります。地面に置かれた物体に働く重力と比べると、となったように見えます。この見かけの重力と言います。
[3] 傾角θ の斜面を有する質量Mの台が滑らかな床の上に置かれていて、斜面上から質量mの物体をすべり落とす。物体と斜面の間には摩擦がないとする。
斜面上で見たときの物体の加速度の大きさをa,台の床に対する加速度の大きさをAとする。斜面上で見ると、物体には台の運動と逆向きに大きさ慣性力が働く。斜面が物体に及ぼす垂直抗力Nとして、
斜面上で見たときの、斜面に沿う方向の物体の運動方程式:
・・・@
斜面上で見たときの、斜面に垂直な方向の力のつりあい:
・・・A
床面で見たときの、台の水平方向の運動方程式:
・・・B
Aより、
Bに代入すると、
整理して、

@に代入して、
[4] 静止した部屋の天井から長さl のひもに吊るされた質量mのおもりがする単振動周期と比べて、加速度aで水平方向に運動する電車内で天井から長さl のひもに吊るされたおもりがする単振動の周期は、おもりに、鉛直下向きの重力に加えて、水平方向に慣性力(加速度aと逆向きに)が働くので、見かけの重力加速度が、三平方の定理により、となり、として、

慣性系においては、運動エネルギー位置エネルギー和は、力学的エネルギー保存則により保存されます。これを非慣性系で考える場合にはどのようになるでしょうか(非慣性系においては、力学的エネルギー保存は考えない、と聞いている方もいるかも知れません)
質量Mの物体とその中で動く質量mの物体からなる系を考えます。物体mの大きさは考えません。Mには外力が働き、Mmの間には内力が働き、Mmの双方に保存力が働くとします。がバネの弾性力のような保存力であるという場合もあります。
Mm加速度Mm速度とします。
外部から見た
M運動方程式は、 ・・・C
外部から見た
mの運動方程式は、 ・・・D
時刻から時刻の間に、Mに対してする仕事Wは、
Cより、,これより、
 ・・・E
ここで、は、(合成関数の微分法を参照)より、
 (置換積分法を参照)
は、からの間にMが得た運動エネルギーの増分です。
は、
保存力に逆らう外力Mにした仕事で、保存力によるM位置エネルギーの増分です。
残るについて、細かく調べてみます。
物体
Mから物体mの運動を見て、物体m相対加速度相対速度とします。
 ・・・F
です。また、Dより、,これとFを用いると、



 ・・・G
このうち第1項、第2項の積分は、より、第3項の積分を入れて、


Gの第4項の積分は、Fを用いて、

は、をかけて積分しているので、外部から見たときの保存力に逆らう外力のした仕事、つまり、外部から見た時の保存力による位置エネルギーの増分です。は、をかけて積分しているので、物体Mから見たときの保存力による位置エネルギーの増分です。
結局
W,即ちEは、
 ・・・H
となります。実際には、Mに対してする仕事は、M運動エネルギーの増分,外部から見たm運動エネルギーの増分と、外部から見たMm位置エネルギーの増分の総和になります。つまり、
 ・・・I
です。I式と比べてH式を見ると、余分な項があるのが分かります。H式からI式を取り除くと、
 ・・・J
という式ができます。
さて、D式に、Fのよりを代入すると、


 ・・・K
K式は、物体Mから見た物体mの運動方程式で、は物体M加速度と逆向きの慣性力です。物体Mから見て、物体M運動エネルギーはありません。物体Mから見て、物体m運動エネルギーの増分は、です。
物体
Mから見た物体m位置エネルギーの増分は、です。
物体
Mから見て、慣性力のした仕事は、です。
すると、物体
Mから見た力学的エネルギー保存は、
となりますが、J式に一致します。これは、非慣性系において、慣性力仕事を考慮に入れて力学的エネルギー保存を考えれば、基準系における力学的エネルギー保存と矛盾しないことを意味しています。
非慣性系において、
慣性力を考慮に入れて力学的エネルギー保存則を適用できる例を以下のリンク先で示します。
非慣性系における力学的エネルギー保存を参照してください。


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