鉛直面内の円運動|糸と棒の違いと最高点で必要な速さ
糸につけた球を、鉛直な面の中で回します。速ければ 1 周し、遅いと最高点の手前で糸がたるんで、球はそこから落ちる。
境目は、半径 なら最下点で です。糸を軽い棒に替えると、 まで下がります。
あいだの は、糸ではたるみ、棒では回りきる速さ。
最高点で糸がたるまない速さ
最高点の球は、支えがなければ真下へ落ちます。円をなぞって進むというのは、落ちる分と円の下がる分が合っているということ。
物が落ちる距離は 秒で 。半径 の円では、最高点から横へ 進むあいだに、円のほうも 下がります。 を 秒で進む速さが 。
これより遅いと、球は円が下がる分より多く落ちます。内側へ入った球を、糸は押し戻せない。そこでたるみます。

同じ条件を力で書き直す。最高点では重力も張力も真下を向き、どちらも円の中心へ向かうため、2 つの和が向心力になります。

糸が出せるのは引く力だけで、 は負になれません。 を入れると、最高点を通れる最小の速さが決まる。
質量が消えました。半径 なら で、球の重さを変えても値は動かない。
のとき、球を曲げているのは重力だけです。糸は張っていても、引く力を伝えていない。
最下点の速さはエネルギー保存でつなぐ
最高点は最下点より だけ高い位置にあります。摩擦がなければ力学的エネルギーが保存され、2 点の速さが結びつく。
両辺を で割ると になります。ここへ を入れる。
半径 なら です。最高点の に対して 2 倍を超える。
円筒の内側を滑らせるときも同じです。面が出せるのは中心へ向かって押す力だけで、 は糸の と同じ形になる。最高点より だけ高いところから静かに離せば、ちょうど で最高点に着きます。
張力は最下点の から最高点の まで変わる
最下点から測った角を とします。中心へ向かう向きを正にとると、重力の成分は になる。

エネルギー保存から なので、これを入れて整理します。
ぎりぎりの を入れると、 でくくれる形になる。
最下点で 、真横で 、最高点で 。 の球なら、最下点の張力は です。

足りないと 2 通りに分かれる
最下点の速さが に届かないとき、行き先は 2 つに分かれる。境目は で、半径 なら 。
がこれ以下なら、球は真横より下で止まります。止まった位置でも は正のままで、糸は張ったまま。そこから振り子として戻る。
超えたときは、 になる角度でたるみます。さきほどの の式を と置いた形。
を入れると で、 はおよそ 度。真横を過ぎたところでたるみ、そこからは投げ上げられた物体として飛びます。
| 真横より下で止まり、振り子として戻る | |
| 上半分でたるみ、そこから飛ぶ | |
| 1 周する |
棒とレールは押す力も出せる
糸を軽い棒に替えると、支える側は押す力も出せます。最高点で速さが足りなくても、棒が下から支えて円をなぞらせる。

残るのは、最高点まで登りきるという条件です。 を に入れる。
半径 なら を超えれば足ります。糸の より小さい値。
ジェットコースターの車輪は、レールを上下と横から挟む形についている。浮き上がる向きにも力を出せるため、棒と同じ側に入る。
糸、円筒の内側、輪の内側の面。最高点で を下回ると離れる
棒、溝にはまった車輪、上下から挟むレール。登りきれるかどうかだけが条件になる
輪が円でないのはなぜか
最高点の向心加速度を とすると、真横では 、最下点では になります[1]。高さが 下がるごとに が ずつ増えるためです。
ぎりぎりの速さでは だから、最下点の向心加速度は 。重力のぶんが加わって、座席が支える力は体重の 6 倍になります。糸で求めた と同じ値。
この 6 倍は体への負担が大きく、実際の輪は円のままでは作られていません[2]。入口の半径を大きくとり、上へ行くほど小さくしていくと、入口と出口の向心加速度がおよそ まで下がる[2]。
曲率半径が弧の長さに反比例する曲線をクロソイドといい、多くの輪はクロソイドと半円をつないだ形をしています[2]。横から見ると、涙のしずくを逆さにした輪郭になる。

外側を回ると条件が逆になる
球面の外側では、面は押すことしかできません。内側とは向きが逆で、速いほど離れやすくなる。
半径 のドームの頂上から、球が静かに滑り出したとします。頂上から測った角を とすると、面から離れるまでは次の式が成り立つ。

エネルギー保存の を入れて、 について解く。
になるのは のときで、 はおよそ 度です。式に が入っていないため、ドームの大小によらず同じ角度で離れる。
摩擦があると、離れる角度は摩擦係数によって変わります[3]。
半径 の円を、糸につけた球が最下点で で通りました。このあとどうなりますか。
- 真横より下で止まり、振り子として戻る
- 上半分でたるみ、そこから飛ぶ
- 1 周する
ドームの半径を 倍にすると、球が面から離れる角度はどうなりますか。
- 変わらない
- 半分になる
- 倍になる
に が入っていません。 の条件は だけで決まり、角度は 度のまま。離れる位置での速さは なので、こちらは半径で変わります。
内側では速さが足りないと離れ、外側では速すぎると離れる。どちらも、支える側が片方の向きにしか力を出せないためです。
















境目は 2gr=4.4 m/s と 5gr=7.0 m/s で、5.0 m/s はそのあいだにあります。cosφ=32−25/9.8=−0.18 から φ はおよそ 101 度になり、真横を少し過ぎたところでたるみます。