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単振動と等速円運動(位相・速度・加速度のずれ)

一定の速さで円周をまわる点に、横から光を当てて壁に影を落とします。影は左右に往復し、その動きがちょうど単振動になります[1]

円の半径が振幅、円運動の角速度が角振動数。 つの運動は別物に見えて、片方をもう片方の影として作れます。

位置も速度も加速度も、この見方から 行ずつ出てきます。位相のずれがなぜ なのかも、円の図で読める。

影の位置

半径 の円周上を角速度 でまわる点を考えます。時刻 での角度を とする。

この点の 座標が影の位置です。

は円の半径そのもの、つまり振幅。 での角度で、初期位相といいます[2]

角速度 秒あたり何ラジアン進むかを表します。 周に 要るので、周期は

速度は接線の影

円運動の速度は、円周に接する向きを向いています。大きさは で一定。

この接線ベクトルを 軸へ射影したものが、影の速度になります。

大きさの最大値は 。円運動の速さがそのまま上限になります。

影がいちばん速いのは、点が円の上端か下端にいるときです。そのとき接線が 軸と平行になり、射影で長さを失いません。

そこは影の位置でいえば中央、 の場所。単振動でいちばん速いのがつり合いの位置になる理由です。

加速度は向心加速度の影

円運動の加速度は、いつでも中心を向いています。大きさは

これを射影します。

最後の形が単振動の定義そのものです。加速度が変位に比例し、向きが逆になる[2]

中心向きのベクトルを射影すれば、必ず原点を向く成分になります。だから復元力の形が自動的に出てくる。

円運動の速度は接線を向く

円運動の加速度は中心を向く

射影すると v と a の式が出る

a = -ω²x が残る

位相のずれ

つの式を並べると、ずれ方が見えます。

からのずれ
位置
速度 進む
加速度

円の図で言えば、速度の向きは位置の向きから 回っていて、加速度の向きは 回っています。回転する図形の中では、微分が の回転にあたる。

だから 回微分すれば 回って、もとの向きの逆になります。 の負号はここから来ています。

例:数値で追う

振幅 、周期 秒の単振動を考えます。

加速度の最大値が を超えました。振幅が小さくても、周期が短ければ加速度は大きくなります。

乗で効くためです。周期を半分にすれば、同じ振幅でも加速度は 倍になる。

例:グラフから読む

つのグラフを縦に並べると、山と谷の位置がずれて並びます。

が最大のとき は最小。 のとき は最大か最小で、

この対応を覚えるより、円の図を思い出すほうが早い。点が右端にいるとき、速度は真上か真下を向いていて 成分を持ちません。

が最大の瞬間

円周上の点は右端。速度は縦向きで射影が 、加速度は左向きで射影が最大

の瞬間

円周上の点は上端か下端。速度は横向きで射影が最大、加速度は縦向きで射影が

例:初期条件から振幅と位相を出す

とします。

円の図では、 の点の座標が にあたります。半径は 成分から出る。

位相はその点の偏角です。 から

振幅も位相も、円の上の 点を決めれば同時に決まります。三平方の定理と偏角を使うだけで済む。

初期条件を という 1 組の座標に置きかえるのが要点です。

速度を で割ると長さの単位になり、位置と同じ図の上に並べられる。

円運動は 2 つの単振動でできている

逆向きにも読めます。 方向と 方向に、位相が ずれた同じ振幅の単振動を重ねると、等速円運動になります[2]

位相差を にすると、点は斜め の直線の上を往復します。 で円、その中間では楕円。

位相差だけで直線から円まで連続に変わる。オシロスコープに映るリサジュー図形は、この対応を使って位相を読みとる道具です。

つまずきやすいところ

角速度 と速さ を混同する。 の単位は です。
振幅が変われば周期も変わると考える。 は円の半径によりません。
で出す。正しくは で、 の差があります。
加速度が最大の場所で速度も最大と考える。位相が ずれているので同時になりません。
初期位相を度とラジアンで混ぜる。 はラジアンなので、 もそろえます。

円をひとつ描いて、点をまわす。単振動の式は、その図を 軸へ落としたものとして全部並んでいます。

振幅を 倍にし、周期を半分にしたとき、単振動の最大加速度は何倍になりますか。

__RESULT__

で、 です。 倍、 倍なので 倍。合わせて 倍になります。

参考文献

15.4: Comparing Simple Harmonic Motion and Circular Motion/Book%3A_University_Physics_I_-_Mechanics_Sound_Oscillations_and_Waves_(OpenStax)/15%3A_Oscillations/15.04%3A_Comparing_Simple_Harmonic_Motion_and_Circular_Motion). University Physics I, OpenStax / Physics LibreTexts.
Jimmy Roussel. *Oscillateurs mécaniques*. Femto-Physique, cours de mécanique classique.
Simple Harmonic Motion Frequency. HyperPhysics, Department of Physics and Astronomy, Georgia State University.
円周を一定の速さでまわる点に横から光を当てると、影は単振動します。円の半径が振幅、角速度がそのまま角振動数。円運動の速度は接線を、加速度は中心を向いているので、それを $x$ 軸へ落とすだけで $v$ と $a$ の式が出てきます。$a = -\omega^2 x$ の負号も、中心向きのベクトルを射影したことから来る。速度が位置より 90 度進み、加速度が 180 度ずれる理由、初期条件を円上の 1 点として読む方法、位相差を変えると直線から円へ移ることまで。