慣性力

慣性力 かんせいりょく Fictitious force;Inertial force;Pseudo force;D'Alembert force

物理においては、どの場所から物体の運動を観察するのか、というのはとても大事な問題です。例えば、電車内におもりがつるされている、といったことを考える場合、「同じ電車内から観測する」のと「電車の外から観察する」というのでは、考え方が違ってきます。

ある場所からの観察では慣性の法則が成り立つのに、別の場所からの観察では慣性の法則が成り立たない、ということが起こり得るからです。

(慣性の法則が成り立たない、というのは、物体が何の力も受けていないのに動き出す、というようなことです)。

(慣性の法則が成り立つ、というのは、運動方程式が成り立つ、と言い換えても良いです)。


慣性の法則が成り立つ座標系(簡単に言うと観測者の位置・立場)のことを、慣性系(かんせいけい;Inertial frame of reference)といいます。

慣性の法則が成り立たない座標系のことを、非慣性系(ひかんせいけい;Non-inertial reference frame)といいます。

上の電車の例を使えば、地面に固定された座標系(地面に立つ観測者)や等速直線運動する電車内に固定された座標系(等速直線運動する電車内にいる観測者)は、慣性系です。また、加速度運動する電車内に固定された座標系(加速度運動する電車内にいる観測者)は非慣性系です。


加速度aで水平方向に運動している電車の中で質量m[kg]のおもりが電車に対して静止している場面を考えます。

地面に立っている観測者(慣性系)から見ると、おもりには重力と糸の張力がはたらき、その合力Fniよっておもりも加速度aで動いているように観測できます。

よって、F=ma という運動方程式が成り立ちます(これは今までの物理の問題を解くときと同じ考え方です)。

一方、電車内の観測者からすると、重力と糸の張力Fと、その逆向きで大きさが等しい力F’がはたらいてそれらがつり合って静止しているように見えます(最初の条件でおもりは静止している、と述べました。Fとつり合う力がないといけません):

すなわち、F’は:

このF’は、加速度運動する観測者にとってだけ存在しているように見えます。したがって、「見かけの力」といいます。

見かけの力は、今まで習ってきた力とは異なるものです。源となるようなものはありませんし、反作用を伴わないからです。


上のような、加速度運動する観測者(または、今後やりますが、回転している観測者)にとって、実際にはたらく力のみでは運動方程式が成り立たないときに、それを考慮することによって運動方程式が成り立つようになるような見かけの力のことを、総称して、慣性力(かんせいりょく)といいます。

上の例で言えば、F’が慣性力です。
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