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円錐振り子とバンク角|カーブの路面が内側へ傾く角度

糸で吊るしたおもりを水平な円の上で回すと、糸は鉛直から傾いたまま止まります。この運動を円錐振り子といいます。糸が円錐の側面をなぞる形になるので、この名前が付いた。

高速道路のカーブで路面が内側へ傾いているのも、競輪場のバンクが急な角度でそり立っているのも、同じ式で説明できます。傾きと速さと半径が、 本の関係式で結ばれる。

円錐振り子にはたらく力

おもりに働くのは重力と糸の張力の つだけです。この つを足した残りが、円の中心へ向かう向心力になる。

糸の傾きを 、張力を とし、鉛直方向と水平方向に分けます。周期の と紛れないよう、張力には を使います。

鉛直方向はつり合っています。おもりは上下に動かないので、張力の鉛直成分が重力とちょうど等しい。

水平方向はつり合っていません。ここは運動方程式で、右辺が向心加速度に質量を掛けたものになる。

傾きは速さと半径だけで決まる

本の式を割り算すると、張力 が消えます。

質量も消えました。重いおもりでも軽いおもりでも、同じ速さと同じ半径なら同じ角度で回る。

速さが上がるほど、また半径が小さいほど、糸は大きく開きます。逆に言えば、角度を見れば速さが分かる。

周期の形にすると長さが効く

円の半径は糸の長さ から と書けます。これを使って周期に直す。

を代入して整理すると、次の形になります。

は、支点からおもりの回る面までの高さ。この高さだけで周期が決まります。

角度を大きくすると高さが減り、周期は短くなる。ここでも質量は入りません。

例:長さ 1.0 m の円錐振り子

糸の長さを 、傾きを 度とします。円の半径は で 。

周期を先に出す。

速さは から です。 からも同じ値になる。

おもりが なら、張力は で 。まっすぐ吊るしたときの より大きくなります。

傾いた路面も同じ式になる

カーブの路面が内側へ傾いていると、垂直抗力も傾きます。この抗力を鉛直と水平に分けると、円錐振り子とまったく同じ形の式が出る。

割り算すれば です。糸の張力が垂直抗力に置きかわっただけで、構造は変わっていない。

摩擦がまったくなくても、この速さでなら曲がれます。凍った路面でも、設計速度で走るかぎり滑り出さない。

円錐振り子

傾いているのは糸。張力の水平成分が向心力になり、鉛直成分が重力とつり合う

傾いたカーブ

傾いているのは路面。垂直抗力の水平成分が向心力になり、鉛直成分が重力とつり合う

高校の問題では、この つが別の単元のように並びます。式を見比べれば、名前が違うだけの同じ問題だと分かる。

例:半径 100 m でバンク角 10 度

設計速度を出します。

時速なら ほど。一般道のカーブがこの程度の傾きなのは、想定している速度がその範囲だからです。

競技場では角度がずっと大きい。半径 でバンク角 度なら、設計速度は になります。

摩擦があると速さに幅が出る

実際のタイヤには摩擦があります。設計速度からずれても、摩擦が不足ぶんを補うので曲がれる。

速すぎるときは、摩擦が路面に沿って内向きに働きます。垂直抗力を 、静止摩擦係数を として立て直すと、上限が出る。

半径 、バンク角 度、 なら です。時速 まで耐えられる計算になる。

傾けておくと、同じ摩擦でも出せる速さが上がります。バンクを付ける意味はここにある。

バイクが体ごと傾ける理由

二輪車には路面の傾きを使えない場面が多い。かわりに車体を傾け、路面からの力の向きを変えます。

傾きの条件は同じ です。半径 のカーブを で曲がるなら、次のようになる。

鉛直から 度倒す。倒さずに曲がろうとすると、路面からの力が重心を通らず、外へ倒れます。

車体を傾けるのは、路面からの力の作用線を重心に通すためです。通っていないと、その力がモーメントを生んで車体を回してしまう。

力が働く点を通り、力と同じ向きに引いた直線。この線が重心を通るかどうかで、倒れるか倒れないかが決まる。

角度から速さを読む

は、角度から速さを読む向きにも使えます。半径がわかっていれば、傾きを測るだけで速さが出る。

円錐振り子の糸の傾きが 度で、円の半径が でした。おもりの速さはいくらですか。

  • おもりの質量がわからないと出せない
__RESULT__

なので となり、 です。質量は式から消えているので、与えられなくても答えが出ます。 に ではなく が入っている点に気をつける。

糸を傾けたまま水平円を描く円錐振り子は、張力の鉛直成分が重力とつり合い、水平成分が向心力になります。$2$ 本の式を割ると張力も質量も消えて $\tan\theta = v^2/(rg)$ だけが残る。傾いたカーブでは張力が垂直抗力に置きかわるだけで、式は同じ形。半径 $100\ \mathrm{m}$ でバンク角 $10$ 度なら設計速度は $13\ \mathrm{m/s}$ で、摩擦係数 $0.60$ を足すと $29\ \mathrm{m/s}$ まで伸びます。周期が $2\pi\sqrt{L\cos\theta/g}$ になる理由と、バイクが体ごと倒す理由まで。