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「慣性力」と「遠心力」

 物体がそのままの状態を続けようとする性質を「慣性」という。力が働いていない物体が、静止ないし等速直線運動をするのが「慣性の法則」だ。

 ある観測基準(これを「座標系」と呼ぶ)にとって、「慣性の法則」が成り立っているとき、観測者のいる座標系は「慣性系」と呼ばれる。慣性系においては、物体には力に比例した加速度が生じる。

 ところが、慣性系に対して加速度運動する座標系では、「慣性の法則」が成り立たない。

 慣性系で静止ないし等速直線運動する物体に対して、加速度運動する観測者が見れば、逆に加速度運動して見える。力が働いていない物体が、加速度運動するのだから、「慣性の法則が成り立っていない」というわけだ。

 ところが、同じ観測者が、あくまで慣性の法則が成り立っていると考えたらどうなるだろう。

 「加速度が生じているのだから、力が働いている」と考えたとしてもおかしくはない。急ブレーキをかけた電車内で前につんのめるとき、「前に力が働いた」と考えた方が自然なこともある。これが「慣性力」であり、「どうしてスペースシャトル内では、無重力になるのだろうか?」で扱った「見かけの力」の正体だ。

 物体の加速度aが決まれば、運動方程式 ma=F より、質量mと力Fは比例するので、慣性力は必然的に、その物体の質量に比例する。

 回転運動の場合は、どうなるのだろうか。

 半径rの円周上を速度vで回転運動する物体は、中心向きに加速度 v2/r の運動をしていることになる。このとき、回転運動する座標系では、見かけの上では中心と反対向きに mv2/r の慣性力が働くように見える。この回転座標系における慣性力が「遠心力」である。

 一般に言われているように、「回転する物体には、遠心力が働く」というのは誤りである。遠心力の原因は、観測者にあるのであって、物体ではない。

※特に断りのない限り、画像クレジットは©JAXA