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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。 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。 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。

片側にしか力を出せない支え

糸、円筒の内側、輪の内側の面。最高点で を下回ると離れる

両側に力を出せる支え

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 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
__RESULT__

境目は で、 はそのあいだにあります。 から はおよそ 度になり、真横を少し過ぎたところでたるみます。

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
__RESULT__

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。

参考

*Loop Shapes in Roller Coasters*. Physics Education 40, p. 517 (2005), Göteborgs universitet.
Mirek Havlik. *Bewegungen in der Achterbahn*. Bachelorarbeit, Universität Bielefeld, 2015.
Carl E. Mungan. *Sliding on the Surface of a Rough Sphere*. The Physics Teacher 41, p. 326 (2003).
半径 $1.0\ \mathrm{m}$ なら、糸につけた球は最下点で $7.0\ \mathrm{m/s}$、軽い棒につけた球は $6.3\ \mathrm{m/s}$ で一周できます。糸は引くことしかできないので、最高点の $T \ge 0$ から下限が $\sqrt{gr}$ になり、エネルギー保存でつなぐと最下点は $\sqrt{5gr}$。張力は $3mg(1 + \cos\varphi)$ で、最下点の $6mg$ から最高点の $0$ まで変わります。速さが足りないときは 2 通りで、$\sqrt{2gr}$ 以下なら真横より下で往復し、超えると $T = 0$ の角度でたるんで飛ぶ。外側のドームでは向きが逆になり、$\cos\alpha = \dfrac{2}{3}$ の $48$ 度で離れます。ジェットコースターの輪が円でない理由まで。