 |
目次 前のページ |
 次のページ |
−回転体に力を加えた場合の首振り運動
さて、ブーメランはなぜ旋回して元の位置に帰って来るのでしょうか。
ブーメランは、最初にはほとんど垂直な状態で回転しています。すなわち、ブーメランの揚力の大部分が旋回のために使われ、残りがブーメランを空中に支えています。この飛行しているブーメランを上から眺めて見ましょう。ブーメランが左に飛行経路を変えただけでは【左側の図】のようにブーメランの空気に対する迎え角は負になって揚力が失われてしまうはずですが、実際にはブーメランはコースを変えるだけでなく常に十分な揚力が得られるよう、【図】のように回転軸を左に変えていきます。視点を変えて、ブーメランの飛行コースの中心から眺めてみましょう。
ブーメランが回転しながら飛行している場合、重心から上の翼は飛行速度に回転が加わり、翼の表面の風速は速く、下部の翼は遅くなります。そのためいつも上部の翼の揚力が大きいはずです。そのため、ブーメランの回転面は左倒しなり、ブーメランを持ち上げる上向き揚力成分も徐々に減少し、悲劇的な結末を迎えるはずです。ところが実際のブーメランは、地面に激突せずに左旋回を始めて無事に投げ手まで帰って来ます。
ブーメランのように回転している−角運動量を持つ−
物体に力を加えると、その物体の運動はどのように変化するのでしょう。
回転している物体は、たとえ重心が移動していなくても、角運動量と言う形の運動エネルギーを持っています。
| 角運動量について
物体が持つ運動量は、中学校までに習った直線運動の運動量とは別に、回転という運動に由来する角運動量があります。 運動量 角運動量
|
  |
この現象はコイン以外に次のような事例で体験できます。走行している自転車やオートバイの向きを変える場合、単にハンドルを切っただけでは向きは変わらず倒れてしまいます。ところが、自転車やオートバイを傾けるとスムーズに曲がれます。
 |
また地球ゴマ−ジャイロゴマを回転方向を図のような向きにして、足を糸で吊るすとコマは回転軸を左に回転させながら落ちずに回転を続けます。
なぜ、回転している物体はそれを倒そうとしても､すなおに倒れないで、向きを交えて回り続けたり、回転軸を回そうとすると､とんでもない方向へ首を振るのでしょう。どうも《回転している物体には奇妙な性質があるようです｡》
| ここで角運動量も運動量と同じく方向と大きさの二つを要素に持つベクトルですから、その定義をしておきます。
  |
| ベクトル
運動量の場合は、大きさと方向の二つの要素があります。このように複数の量で表される量をベクトルといいます。 たとえば、ある生徒の科目毎の成績(数学何点、国語何点、英語何点と言うふうに‥‥)や、物体を水平面から４５°の方向にどれだけの速度で投げ上げたとか、これに対し、大きさだけのように一つの量で表す物をスカラー量と言います。質量や体積などがそれに当たります。 角運動量の大きさは長さで、向きは矢印の方向でそれぞれを表すこととします。便宜上、回転運動のベクトルの向きは右手を握って親指を立てた状態(じゃんけんのグーから親指を立てた形)で覚えてください。親指以外の指の向きが回転方向を表します。そして親指の向いた方向が角運動量ベクトルの方向とします。 このベクトルを使って角運動量の変化について考えましょう。
|
加えられたベクトルは元のベクトルに直角なため元のベクトルの大きさは変えずに、その向きだけを変えます。
そのため先の実験Ｂの場合、コインは向きを変えただけで転がり続けます。
また実験Ｃの場合は、新しいベクトルは元のベクトルと同じ方向ですから、コインはスピードを上げて転がって行きます。
これは自分で確かめてください。
実際は、安定するまでしばらくフラフラしたり、グルグルと一カ所で旋回してやがて倒れたりと、コインはもっと複雑な動きをします。その運動の解析はここではしませんので、自分で考えて見てください。
これをブーメランにあてはめて見ましょう。
飛行中のブーメランは大きく左に傾いているため、その揚力の大部分を占める水平成分はブーメランを左旋回させる力となり、垂直成分はブーメランを空中に支えています。そして上下の揚力の差がブーメランの回転面を左旋回させているわけです｡(指で確認してみてください｡)
これでブーメランが旋回する理由はなんとなく分かりましたが、それだけでは帰ってきません。なぜならブーメランは手から離れた瞬間から、空気の抵抗でスピードも回転数も急激に低下します。
そのため、ブーメランは地上に落ちてしまうはずですが、ブーメランはほとんど水平に旋回して手元に戻ってきます。良くできたブーメランは手元で「すうっ」と上昇しホパリングをしながらゆっくりと降りてきます。
いつのまにかブーメランは、竹とんぼのような水平方向の回転に変わっています。・・・これはなぜでしょう。
|
目次 前のページ |
次のページ |
