バケツに水を入れて振り回すとどうしてこぼれないの?遠心力って何?

みなさん、バケツに水を入れて振り回しても水はこぼれませんね。どうしてでしょうか。判りやすく解説します。

●バケツの水を逆さまにすると、普通は、水は全部こぼれてしまいます。しかし、これを勢いよく振り回すと、中の水は落ちてきません。
普通、水がこぼれるというのは、地球の重力に水が引っぱられているから起こることです。これは、リンゴが木から落ちるときの力と同じ力です。しかし、バケツを振り回すと、ここに遠心力という反対の力が生まれます。
この遠心力という力は、外に向かって働く力のことです。たとえば、自転車でカーブを曲がるときに、外側に行こうとする力が働くのを感じるはずです。このとき感じる力とこの遠心力は同じものなのです。バケツを勢いよく振り回すと、重力よりも大きい遠心力が働きます。そのために水はこぼれ落ちることなく、1回転してしまうというわけです。

●遠心力
遠心力を少し論理的に説明して見ましょう。
回転座標系における見かけの力 (慣性力) の1種。たとえば半径 r ,角速度 ω の円運動をする質量 m の物体には向心力 mrω2 が働くが,中心で同じ角速度で回転している観測者から見れば物体は静止して見えるから,向心力のほかに逆向き等大の遠心力が働いて物体が釣合うとみなせる。一般に遠心力は回転系に対し静止する物体にも運動する物体にも働く。角速度 ω の回転系では,回転軸から垂直距離 r の点にある質量 m の物体には,大きさ mrω2 で軸に垂直外向きの遠心力が働くとみなせる。地球の自転を考慮すると,地球上の物体には重力 mg のほかに遠心力 mrω2が必ず働くので,その合力mge が作用することになる。ge を見かけの重力加速度といい,測定されるのはこの値である。自転軸までの垂直距離 r は緯度によって違うので ge は緯度によっても異なる。重力加速度の海面上での測定値が赤道で最小,緯度が高くなるほど大きくなるのはこのためである。

●遠心力と向心力
必ず一度はこんがらがる「遠心力」と「向心力」の違い、これは 簡単なように話している人を大勢見掛けるが、いまだに難しい問題である。 だから、よくわからなくていいとも思う。もちろんわかっていたほうが良いのだが…。中途半端にわかろうとせず、何がわからないのかをはっきりさせること、 わからない所をあら捜しすること、それについて自分で考えてみること、これが一番の近道なような気がする。この視点で遠心力を考察する。

●等速円運動に関して
まず、力がかかっていないときこのときは等速直線運動をします。 これは慣性の法則より、「動いている物は動き続けるから、力がかかっていないときは等速直線運動をする」といってよいだろうし、運動方程式からも導いてもよいと思います。
(慣性の法則は「運動の第一法則」 というものであった。これとF=maと、いう「運動の第二法則」を組み合わせたものが運動方程式らしい。だから、運動方程式と慣性の法則は同じ立場ではなく、運動方程式は慣性の法則を含んでいるのだ)
逆に力がかかっていないときは等速直線運動をするといえます。

すべての力の和が0ベクトルのときで、 さらにモーメントベクトルの和が0のときに剛体が等速直線運動をする。モーメントが0でないと、力の和が0でも剛体が 回転してしまう。
円運動はまっすぐではなくまがった軌道をしてますよね?だから円運動をするためには、なにかしらの力が働いていないと等速円運動できません。

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●等速円運動するためには力が必要なことがわかりました。 ではどんな力が必要なのでしょうか?まず言えることは、等速円運動なので、常に等しい速度で回転しているわけです。力がかかっても、速度が速くならないためには、進行方向に垂直な方向に力がかかっている必要があります。 円運動に関して言えば、常に進行方向に垂直な向きとは、その回転の中心方向です。 また力の大きさは、対称性により常に等しい力がかかっていると言えます。 つまり、等速円運動をするためには、常に中心方向のみの等しい力が働いていることがわかります。 もしそれ以外の力が働いていたら、必ず等速ではなくなるので、そう結論することができます。

いま僕たちは、ぐるぐる回っている物体を眺め、それからわかることを導きました。 ぐるぐる回っている物体を見ているのです。これが重要だと思います。 それからわかったことは、中心方向に等しい力がかかっているということだけです。 この円運動を眺めているとき明らかに分かるように、その物体にかかっている力というものは円の中心に向かった力である。つまりこの力を「向心力」と呼ぶのである

●遠心力とは…
では遠心力となんでしょうか?自分たちが車に乗っていて急カーブしたとき、またはジェットコースターに乗ったとき、感じる力は間違いなく向心力とは逆向きの力つまり遠心力を受けているように感じます。

車が右に曲がるときを考えてみましょう。
車が右に曲がるときは、当然右向きの加速度を車に働かせないと曲がれません。まぁただ単にハンドルを右に切ればいいんですが…。右に切って、向心力を車に働かせます。車は右に進もうとしますが、中に乗っている人は 真っ直ぐ進もうとします。だから、中に乗っている人は車から右向きに押されるわけです。 これを体が円の外の方向に押されているように感じる、つまり遠心力を受けていると感じているわけです。
もう一度言いますと、車が右に曲がるとき、車が右に中の人を押しているのです(だから中の人も右に曲がることができる)。 しかし、車が押してくるのではなく、自分に力が働いたと勘違いしたものが遠心力なんです。

初めは真っ直ぐ進んでいるので、人も車も直線運動です。 車が右に曲がりはじめます。が、ひとは感性の法則より、まっすぐ点線上を進もうとします。 が、車は曲がるので、必ず車の左側から右向きに人が押されます。しかし人はこの現象を、左に力がかかっているように感じてしまうので、これを遠心力と呼ぶのでした。

これからわかるように、遠心力とは見せ掛けの力で、実際に働いている力は向心力なのでした。 なのに普通は「遠心力がすごい」とか、よく使われるのは遠心力の方ですが、その気持ちはすごくわかります。 友達も「電車がゆれたら、向心力が・・・とか考えちゃうからやだね」とか言ってましたが、 これを読んだあなたもそうなってしまう一人なのです!!

遠心力(centrifugal force)は、慣性系に対して回転している回転座標系において作用する慣性力の一つである。 慣性系において回転運動をしている物体には、何らかの力が向心力として働いている。この物体と一緒に回転する回転座標系においては、物体が静止しているように見える。非慣性系において向心力として働く力が作用しているにもかかわらず、物体が静止しているということは、回転座標系においては向心力と釣り合う力が作用していることを意味する。向心力と釣り合うこの力が遠心力である。向心力は慣性系においても回転座標系においても作用するのに対し、遠心力は回転座標系においてのみ作用する。 回転座標系における慣性力は遠心力の他に、角速度変化に伴うオイラー力と物体の速度に比例するコリオリの力がある。
回転中心からの回転座標系における位置を r とし、回転座標系の慣性系に対する角速度を ω とするとき、遠心力は

と表される。角速度と平行な成分と直交する成分に分けたとき、平行成分は影響せず
となる。

遠心力と向心力、おもしろいですね。よく考えると、簡単な理由ですね。理屈は中学や高校で勉強します。

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