向心力とは? 遠心力とは?

向心力

等速円運動では、速さはかわらないが方向が絶えずかわっているので
方向をかえる加速度(法線加速度)が絶えずはたらいています。




円周上の接線と、その接点を通る半径とは
垂直に交わっているので、この加速度は。円の中心にむかいます。

図で物体をPとすると、PAという矢印で、この加速度をあらわすことができます。

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質量のある物体に、加速度があらわれるのは
そこに、力がはたらいているからです。

このとき、力の方向と加速度の方向は同じですから
物体にはたらく力も、中心を向いているはずです。
このように、等速円運動をする物体にはたらく力を向心力と言います。

小石に糸をつけて、手でふりまわし、円運動をさせると手に力が加わります。
この力は、向心力の反作用です。

カーブと向心力

走っている人や、自転車に乗っている人が
カーブを曲がるときの様子を見ると体をカーブの内側に傾けています。

カーブを曲がるということは円運動の一部にあたるので
向心力を生みださなければなりません。

その向心力は、体を傾けることによって重力の水平方向の分力としてあらわれます。

電車や汽車のレールで、カーブしているところは
外側のレールが、少し高くつくられています。
また、大きな速度で自動車がカーブするところも道路の面を内側に傾けてあります。

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これも、向心力をつくるためです。
図で、自動車にはたらく重力(GC)を水平方向(GA)と
道路に垂直の方向(GB)に分解してみます。

すると、GBは道路を押す力となり
GAが向心力となって自動車に円運動させることがわかります。



遠心力

円運動をしている物体に、私たちが乗っているとします。
このとき、私たちの体は物体といっしょに円運動しているのに
円運動をしていることは、少しもわかりません。

たとえば、地球上にいる人は地球の自転のために
1日に1回という速度で地軸のまわりをまわっています。
しかし、円運動をしていることは、少しもわかりません。

また、等速運転をしている電車が
半径が一定のカーブを走っているときは乗客も電車も、等速円運動をしています。

このときも、乗客は、電車に対して静止していて
円運動をしていることがわかりません。

ところが、円運動をするには向心力が心要で、この力は円の中心にむかっています。
そこで、円運動をしている物体に乗っている人から考えると向心力の方向に
体が動かないのが不思議です。

そこで、物体が中心の方向に動かないためには、向心力と同じ大きさで
反対向きの力がはたらいていると考えなければ、これまでのことが理解できません。
このような力を、遠心力と言います。

地球上の物体の重さは、地球の万打引力と遠心力との合力であると言えます。

遠心分離機

小石に糸をつけてふりまわしたときに糸がきれたとすると向心力は
はたらかなくなり、小石は円の接線方向に飛び去ります。

円筒の中に、土でにごった水を入れ、円筒の軸をモーターで回転させると
土の細かい粒も、いっしょに円運動をはじめます。

ところが、これに向心力をあたえるものがないので
しだいに接線方向に動き出します。

そして、うずまき形の曲線を描いて中心から遠ざかり
しまいには円筒の壁にくっついてしまいます。

このような方法で、比重の違う液体と液体や
固体と液体を分離する機械を、遠心分離機と言います。







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