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遠心力の公式

1750
  • Leonhard Euler
Historical laboratory scene illustrating centrifugal force in classical mechanics.

(画像はイメージです)

角速度 [latex]boldsymbol{omega}[/latex] で回転する基準系では、 遠心力 質量 [latex]m[/latex] の物体に作用する [latex]mathbf{F}_{mathrm{cf}}[/latex] は、原点からの位置ベクトル [latex]mathbf{r}[/latex] で表され、ベクトル式 [latex]mathbf{F}_{mathrm{cf}} = -m boldsymbol{omega} times (boldsymbol{omega} times mathbf{r})[/latex] で与えられます。この式は、力が回転軸に垂直で外向きであることを示しています。

The vector formulation of centrifugal force provides a complete description of its magnitude and direction. The formula [latex]\mathbf{F}_{\mathrm{cf}} = -m \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})[/latex] uses the vector cross product. Here, [latex]\boldsymbol{\omega}[/latex] is the angular velocity vector, which points along the axis of rotation. The term [latex]\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}[/latex] represents the tangential velocity of the point. The second cross product, [latex]\boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})[/latex], results in a vector that points radially inward, representing the centripetal acceleration. The negative sign in the formula flips this direction, resulting in a force vector that points radially outward from the axis of rotation. The magnitude of this force can be simplified to [latex]m \omega^2 r_{\perp}[/latex], where [latex]r_{\perp}[/latex] is the perpendicular distance from the mass to the axis of rotation. This mathematical precision is crucial for analyzing motion in rotating systems, such as the dynamics of machinery, planetary atmospheres, and spacecraft. It is a key component in the transformation of Newton’s second law from an inertial frame to a rotating frame, which also includes the Coriolis force and the Euler force.

この定式化は、回転座標系における位置ベクトルの微分から直接導かれる結果です。慣性座標系における全加速度は、回転座標系で観測される加速度、向心加速度、コリオリ加速度、およびオイラー加速度の合計です。ニュートンの第2法則([latex]mathbf{F}_{mathrm{real}} = m mathbf{a}_{mathrm{inertial}}[/latex])を回転座標系用に整理すると、これらの加速度項は方程式の力側に移動し、負の符号を持つ仮想力として現れます。したがって、遠心力は [latex]-m(boldsymbol{omega} times (boldsymbol{omega} times mathbf{r}))[/latex] という項になります。

UNESCO Nomenclature: 2210
機械工学

タイプ

抽象システム

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ニュートンの運動第二法則
  • ベクトル解析と外積の展開
  • オイラーによる剛体の運動学に関する研究
  • ラグランジュの力学の定式化

アプリケーション

  • ターボ機械の計算流体力学(CFD)
  • 衛星の軌道力学と姿勢制御
  • 車両ダイナミクスシミュレーション
  • ロボット工学とマニピュレータアームのダイナミクス
  • 気象モデリング(コリオリ力との関連)

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:遠心力、ベクトル公式、外積、角速度、回転座標系、古典力学、仮想力、向心加速度、コリオリ力、オイラー力。

歴史的背景

遠心力の公式

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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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