物理
高校生

59の(2)です!解説では小球とともに運動する観測者からの視点でやっていますが、ともに運動していない人から見ると球にはたらく力は垂直抗力と重力だけになって答えが変わってきませんか?

の一端に質苗多 ] ) ょふらっり下げた 別の未bをお5 の と鉛直 方向のなす 角がのの @A xsをのとする の 後の, 夫 3 に 力の大きる S5 を求め 未b を切った 糸 』 の張力の大きさ 3 を求 図の曲面 AB は, 点Oを中心と3 ょめらかな円筒の一部で, 旧2 である。 点Aから質量 7 の小球を初 鉛直面内の円運動 中心角.90? の内面がな はなめらかな水平面で 水度0 ですべらせた。 重力加速度の大き さきをのとする。 ]) 小球が図の点Bを通るときの速さの を求めよ。 (2) 小球が点Bを通過す る直前に面から受ける垂直抗力の大き (3) 小球が点B を通過した直後に面から? 受ける垂直抗力の大き 鉛直面内の ほ 電 っ 他を 関介間 糸の一端に質量 の小球を 平方向の初束度を る。小球が最下点にあるとき, 小球に 速度を与えたら, 小球( は鉛直面内で運動し, II がたるむことなく通過 した。 重力】 ⑪) 加速度の ) 最高点Bを通過する速さの最 ee 人に人えるきの 8 直っを求めよ。
りデド 0 第4章* 等速円運動・慣性カカ 久ここがポイント / ⑫) 小球とともに円 ⑨ なめらかな水半 直抗力, 遠心 ・ のみ 必 証] を 策 7": 点Bを含む7 ポ> ナ = 点Aと点B間での力学的 0十 の7一テ婦の 0 よって ?ヵ72gZ 2) 小球とともに運動する観測者から見ると, 点Bを 通過する直前の小球には重力 7z9, 垂直抗力 Wi, の 心力 全 がはたらいている(図4)。よって, 力の つりあいの式より ーwgーみテー0 (1)の結果を代入して整理すると パー37zg 3 点B を通過すると小球は円運動から直線運動に移 2 5)。小球に 二はAM
円運動

回答

nursecafeさんの疑問はもっともです。解答のように「小球とともに運動する」なんで考えるやり方は私はナンセンスだと思いますね…

普通に静止している観測者から見ましょう。Bの直前と直後で何が変わっているのでしょうか。それは円運動しているかどうかです。

Bの直前までは無限に小さいですがほんのちょびっとだけ傾いていると考えてください。なので重力と垂直抗力が釣り合うだけでは物体は直進するのでその傾きの方向にめり込もうとします(慣性の法則)。それをさせないための垂直抗力(円運動させるための力なので向心力と呼ばれますね)が余分に必要なのです。なお、円運動は等速円運動でなくても定義できて、各瞬間で必要な向心力は速度の2乗に比例する形ですね。向心力は傾きに対して垂直ですがBの直前ということは傾きが無限に小さく、ほとんど真上を向いているとみなして良いです。

しかし、Bの直後は重力と垂直抗力が釣り合ったままで直進することができるので余分な力は必要ないです。

もう一度言いますが円運動しているのかどうか、つまり向心力が必要なのかどうかがBの前後の違いです。

lasato

補足ですが、静止している人からみた座標での、円運動のために向心力が必要だという運動方程式ma=n-mgの右辺はもちろん向心力にあたりますが、そこから両辺を向心力で引いたものが物体と動く人からみた「釣り合いの式」になり、引かれた向心力こそが遠心力の項になります。なので符号は反転です。

nursecafe

小球とともに運動する人から見ると向心力の代わりに遠心力として捉えているということですか?

lasato

そうですね。
加速度運動する人から見ると働く(ように見える)慣性力ってやつです。
その加速度運動には向心力が必要なので慣性力は遠心力です。

nursecafe

わざわざ長文大変ありがとうございました!🙏🏻

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