向心力とは?
向心力とは、物体を円軌道に沿って動かし続けるために必要な、内側に向かう正味の力のことです。ニュートンの運動の第一法則によれば、この力がなければ物体は直線方向へ飛び出してしまいます。向心力は常に円の中心を向いており、その大きさは物体の質量・速さ・円の半径によって決まります。本ツールは特定の国に依存しない汎用的な物理計算ツールで、SI単位(国際単位系)でそろえた入力値ならどんな場合でも使えます。
このツールの使い方
物体の質量をキログラム(kg)、接線方向の速度をメートル毎秒(m/s)、円軌道の半径をメートル(m)で入力してください。向心力がニュートン(N)で、向心加速度がメートル毎秒毎秒(m/s²)で表示されます。
計算式の解説
向心力は $$F = \frac{m \cdot v^{2}}{r}$$ で求められます。ここで \(m\) は質量、\(v\) は速さ、\(r\) は半径です。速度が2乗されるため、速さを2倍にすると必要な力は4倍になります。また、カーブがきついほど(半径 \(r\) が小さいほど)大きな力が必要になります。これに関連する向心加速度は $$a = \frac{v^{2}}{r}$$ であり、\(F = m \cdot a\) が成り立つので、ニュートンの運動の第二法則とも一致します。
計算例
質量2 kgのボールを、半径4 mの円周上で5 m/sの速さで回す場合を考えます。このとき $$F = \frac{2 \times 5^{2}}{4} = \frac{2 \times 25}{4} = \frac{50}{4} = 12.5 \text{ N}$$ となります。向心加速度は \(a = \frac{25}{4} = 6.25 \text{ m/s}^{2}\) です。
よくある質問
向心力は新しい種類の力ですか? いいえ。向心力とは、円運動を維持するために内側に向かって働く実在の力(張力・重力・摩擦力・垂直抗力など)を総称した呼び名にすぎません。
向心力と遠心力の違いは何ですか? 向心力は内側に向かう実在の力です。一方、遠心「力」は回転する基準系の中でだけ感じられる、外向きの見かけの力です。
どの単位を使えばよいですか? キログラム(kg)、メートル毎秒(m/s)、メートル(m)を使えば、力はニュートン(N)というSI単位で求められます。