等速円運動に必要な向心力

炉辺夜話物理学編第1夜

リンゴは落ちるのに月はなぜ落ちないか.ニュートンに絡んでよく聞かれる話だが,月も絶えず落下しているのだ,という話もよく聞かれる.月は地球の周りをほぼ等速円運動しているが,等速円運動する質点の速度は,ハンマー投げなどの映像を見ればわかるように,円の接線方向に向いている.したがって,円運動を維持しようと思えば,円の中心に向かう力を質点に加え,速度の方向を調整してやる必要がある.この力が,いわゆる向心力である.月の場合は地球の引力がこれに相当する.つまり,月は地球に向かって常に落下しているからこそ,周回を維持している,というわけだ.

定性的にはわかりやすい説明だと思うが,定量的にはどうだろうか.そこで,少々計算をしてみた.

半径をr,角速度をωとすれば,Pにある質点の速度はrωである.したがって,質点はdt時間後にはrωdtだけ進みP'に達するはずだが,向心力によりP地点まで「落下する」.落下距離は

(r+(rωdt)1/2 − r

=r(1+(ωdt)1/2 − r

≒r(1+1/2(ωdt)) − r

=1/2r(ωdt)

と計算できる.そして,この距離を丁度dt時間で等加速度で「落下」させるために必要な力fの大きさは,質量をmとすると,

1/2(f/m)dt=1/2r(ωdt)

f=mrω

となる.確かに,これは,必要な向心力の大きさである.