遠心力は、曲線を取る回転体を押し出す傾向があります。これは架空の力、疑似力、または慣性力と見なされます。これは、実際のオブジェクト間の相互作用によって引き起こされるのではなく、身体の慣性の現れだからです。慣性は、オブジェクトが静止状態または直線運動を持っている場合、それを維持することをオブジェクトに要求するプロパティです。
「遠心力」という用語は、科学者のクリスチャンホイヘンス（1629〜1695）によって作り出されました。彼は、太陽がそれらを保持するために何らかの力を加えない限り、惑星の曲線運動はそれらを遠ざける傾向があると主張し、この力は速度の二乗に比例し、記述された円周の半径に反比例すると計算しました。
図1.コーナリングの際、乗客は力を引き離そうとする力を受けます。出典：Libreshot。
車で旅行する人にとって、遠心力はまったく架空のものではありません。右に曲がる車の乗客は、左に押されたように感じます。その逆の場合、車が左に曲がると、人々は右に力を感じるため、カーブの中心から離れるように見えます。
遠心力F gの大きさは、次の式で計算されます。
-F gは遠心力の大きさです
-mはオブジェクトの質量です
-vは速度です
-Rは曲線パスの半径です。
力はベクトルであるため、太字を使用してその大きさ（スカラー）と区別します。
常にことを心に留めF gは動きが加速基準フレームを使用して記述されている場合にのみ表示されます。
冒頭で説明した例では、回転する車は向きを変えるために求心加速度を必要とするため、加速基準を構成します。
遠心力はどのように計算されますか？
ムーブメントを鑑賞するには、リファレンスシステムの選択が不可欠です。加速参照フレームは、非慣性フレームとも呼ばれます。
スピニングカーなどのこのタイプのシステムでは、遠心力などの架空の力が現れますが、その起源はオブジェクト間の実際の相互作用ではありません。乗客は彼をカーブから押し出すものを言うことができず、これが事実であることを確認することができるだけです。
一方、慣性参照システムでは、移動体と地球などの実際のオブジェクト間で相互作用が発生し、これにより重量が生じます。摩擦と通常。
道路の脇に立って車がカーブを曲がるのを見ている観察者は、慣性参照システムの良い例です。このオブザーバーの場合、カーブの中心に向かう方向の力が車に作用し、車が車の外に出ないように強制するため、車が曲がります。これは、タイヤと舗装の間の摩擦によって生じる求心力です。
慣性基準系では、遠心力は現れません。したがって、計算の最初のステップは、動きの説明に使用される参照システムを慎重に選択することです。
最後に、慣性参照システムは、車両がカーブを曲がるのを見ている観測者のように、必ずしも静止している必要はないことに注意してください。実験室基準フレームとして知られている慣性基準フレームも動いている可能性があります。もちろん、慣性に対して一定の速度で。
慣性および非慣性システムの自由体図
左の次の図では、観測者Oが立って、指示された方向に回転するプラットフォーム上にいるO 'を見ています。慣性フレームであるOの場合、確かにOは、Oの背面のグリッドの壁によって生成される求心力F cのために回転し続けます。
図2.ターンテーブルに立っている人は、2つの異なる参照システムから見られます。1つは固定されており、もう1つはその人に付きます。出典：Físicade Santillana
慣性参照座標系でのみ、正味の力は質量と加速度の積に等しいというニュートンの第2法則を適用することが有効です。そして、そうすることで、示されている自由体図で、我々は以下を得る：
同様に、右側の図には、観察者Oが見ているものを説明する自由体図もあります。彼の観点からは、彼は休んでいるので、彼に対する力はバランスが取れています。
これらの力は次のとおりです。壁が壁に及ぼす垂直Fは、赤で中心に向けられ、それを外側に押す遠心力F gは、相互作用によって引き起こされたものではなく、非慣性力です。回転参照システムに表示されます。
遠心力は架空のものであり、実際の力、つまり中心に向かう接触力または垂直力によってバランスがとられています。したがって：
例
遠心力は疑似力と見なされますが、次の例に示すように、その影響は非常に現実的です。
-遊園地での回転ゲームでは、遠心力が存在します。彼女は私たちが「中心から逃げる」ことを保証し、動くカルーセルの中心に足を踏み入れようとした場合に一定の抵抗を提供します。次の振り子では、遠心力を確認できます。
-コリオリ効果は地球の自転から発生し、地球が慣性フレームでなくなるのを防ぎます。次に、コリオリの力が現れます。これは、ターンテーブルの上を歩こうとしている人に起こるように、オブジェクトを横方向に偏向させる疑似力です。
演習
演習1
加速Aで右に曲がる車には、バックミラーの内側にぬいぐるみがぶら下がっています。以下から見たおもちゃの自由体図を描き、比較します。
a）道路上に立っている観察者の慣性座標系。
b）車で移動する乗客。
への解決策
道路に立っている観察者は、おもちゃが急速に動いており、加速度Aが右にあることに気づきます。
図3.演習1aの自由体図。出典：F. Zapata
おもちゃに作用する力は2つあります。一方では、ひもTの張力とWを下にした垂直方向の重さです。したがって、重さは張力Tcosθの垂直方向の成分とバランスが取れています。
応力の水平成分：T。sinθは、右への加速に関与する不平衡力です。したがって、求心力は次のとおりです。
ソリューションb
車の乗客の場合、おもちゃは平衡状態にあり、図は次のとおりです。
図4.演習1bの自由体図。出典：F. Zapata
前の場合と同様に、重量と張力の垂直成分が補正されます。しかし、水平成分は、次のような架空の力F g = mA によって平衡化されます。
演習2
コインは古いビニールレコードプレーヤーの端にあり、半径は15 cmで、33回転/分で回転しています。コインとの参照連帯のフレームを使用して、コインが所定の位置に留まるために必要な最小静止摩擦係数を見つけます。
解決
図は、コインと共に動く観察者の自由体図です。ターンテーブルが垂直に上向きに作用する法線Nは、重量Wによってバランスが取られ、遠心力F gは、静止摩擦F 摩擦によって補償されます。
図5.運動2の自由体図。出典：F. Zapata。
最初に述べたように、遠心力の大きさはmv 2 / Rです。
一方、静止摩擦力は次の式で与えられます。
μここで、Sは、静摩擦係数は、その値が無次元量は、表面が接触している方法に依存します。この方程式を代入すると、次のようになります。
正常の大きさはまだ決定されていません。これは、N = mgに従って体重に関連しています。再び置き換える：
ステートメントに戻ると、コインは33回転/分の速度で回転していると報告されています。これは、線速度vに関連する角速度または角周波数ωです。
この演習の結果は、慣性参照フレームが選択されていた場合と同じでした。そのような場合、中心に向かって加速を引き起こすことができる唯一の力は静止摩擦です。
用途
これまで述べてきたように、遠心力は架空の力であり、ニュートンの法則が有効な唯一の慣性座標系には現れません。それらでは、求心力が中心に向かって必要な加速を体に提供する責任があります。
求心力は、すでに知られている力と同じです。それどころか、適切なときに求心力の役割を果たすのはまさにこれらです。たとえば、月が地球を周回する重力、石が回転するロープの張力、静止摩擦および静電気力などです。
ただし、実際には加速基準系が多いため、架空の力は非常に現実的な影響を及ぼします。たとえば、具体的な効果がある3つの重要なアプリケーションを次に示します。
遠心分離機
遠心分離機は、実験室で広く使用されている機器です。最初に説明した方程式に従って、物質の混合物を高速で回転させ、質量が大きい物質は遠心力が大きくなるようにします。
次に、最も重い粒子は回転軸から離れる傾向があり、したがって、より軽い粒子から分離され、中心に近いままになります。
洗濯機
自動洗濯機は、異なる回転サイクルを持っています。それらの中で、残りの水を除去するために衣類は遠心分離されます。サイクルの回転数が高いほど、洗濯の終わりに衣類の湿りが少なくなります。
曲線のカント
曲がり角として知られているカーブの中心に向かってトラックがわずかに傾斜しているため、車は道路のコーナリングに優れています。このようにして、カーブを離れることなく旋回を完了するために、タイヤと道路の間の静止摩擦だけに依存することはありません。
参考文献
- アコスタ、ビクター。サイクルVグレード10の学生向けの遠心力に関する教訓的なガイドの作成。
- Toppr。運動の法則：円運動。回収元：toppr.com。
- Resnick、R.（1999）。物理的。第1巻、第3版、スペイン語。CompañíaEditorial Continental SA de CV
- イダルゴ州立大学。遠心力。から回復：uaeh.edu.mx
- ウィキペディア。遠心分離機。回復元：es.wikipedia.org。