先に学ぶ内容平面の運動と放物線力学的エネルギーが保存する条件

円運動と遠心力

縦のループを離れずに一周できる高さを調べる。円運動の加速度と運動方程式から、その高さが必要な理由を導く。

半径⁠1.0 m⁠のループを、離れずに一周できる最小の出発高さは?

式から現象を説明する

  1. 1円周上の位置を式で表すr=⁠r (cos ωt, sin ωt)……
  2. 2微分して速度を出すv=⁠r ω (−sin ωt, cos ωt)……
  3. 3もう一度微分して加速度を出すa=⁠−r ω² (cos ωt, sin ωt)……
  4. 4加速度の大きさを出すa=⁠r ω²=⁠v²r……
  5. 5運動方程式に入れるm v²r=⁠F……
  6. 6速さが変わる円運動の加速度を分けるa中心=⁠v²r⁠,a接線=⁠dvdt……
  7. 7縦の円の上端で、レールを離れない条件を出すv²≧g r……
  8. 8エネルギー保存から必要な出発高さを求めるh≧2.5 r……
  9. ここから発展:ほかの円運動と遠心力
  10. 9カーブを曲がる車に当てはめるv≦√(μ g r)……
  11. 10円すい振り子に当てはめるω²=⁠gL cosθ……
  12. 11いっしょに回る座標系で見る0=⁠F−⁠m r ω²……