等速円運動の条件

運動方向(青)と、力の方向(赤)との間の角度




力が作用しても、速度は変わらない運動?

いくつかの物体が一定の速度を持って一直線に運動する場合には、「等速直線運動をする」と言います。この場合、速度の変化がないため、物体に加わる力は「0」です。もしそうなら、「物体に作用する力はありますがスピードが変わらない運動」があるでしょうか?

正解は「等速円運動」です。

地球の周りを回る衛星を考えてみましょう。この衛星は何のエネルギーを供給しなくても、地球に落ちません。その理由は何でしょうか?そして円運動と関連付けて、常に話をする求心力と遠心力は、どのような違いがあるでしょうか?

速力と速度の違い

運動の速さを「速力(speed)」と呼びます。「速力」は、単に速い程度だけ論じ、その方向には論じません。しかし、「速度(velocity)」は、方向まで考慮した速さを指します。もし、同じ速力で後方に走ったら、速度は「 - 」(マイナス)の値になります。

したがって、等速円運動の「等速」の意味は、「速度」が一定のものではなく、「速力」が一定の運動を指します。円運動は方向が変化を続ける運動であるため、円運動が持続するためには、力が作用して方向を継続変えなければなりませ。このように円運動を持続させるために必要な力を「求心力」といいます。

求心力の方向

では、求心力はどちらの方向に作用しでしょうか?
等速円運動をする物体は、常にどの地点でも速力は同じであり、円形の接線方向に移動します。

上の図では、A点にある物体の速度をV1と呼ばれ、Aに近いB点にある物体の速度をV2といえば、この二つの速度の違いは、次の図のように表示されます。まさにこの矢印の方向が求心力の方向になることです。

砲丸投げ選手が砲丸を投げれば、円の接線方向に飛んでいきます。このように飛んでいこうとする砲丸を続け円運動するようにするには、ずっと奥に方向を変えてなければするのに、このようにするためには,砲丸を引いてべきです。これが円運動をするようにする求心力です。

目にはよく見えないが、地球上には数多くの人工衛星が回っているが、この人工衛星も地球の周りの一定の軌道に等速円運動をしています。この時も、求心力が必要だが、地球の重力がまさに求心力になります。