物理学

回転座標系と物理法則

回転座標系と物理法則
回転座標系の定義、慣性系との関係、および遠心力やコリオリの力といった慣性力が出現するメカニズムを解説します。

📌 主なポイント

  • ✓回転座標系は慣性系に対して回転している非慣性系である。
  • ✓回転座標系で運動方程式を記述すると、遠心力とコリオリの力が現れる。
  • ✓回転系におけるベクトルの時間変化は、回転軸の角速度ベクトルを用いた公式で表される。

回転座標系とは、慣性系に対してある軸まわりに回転運動を行っている非慣性系の座標系を指します。物理学においてこの座標系を用いると、物体の運動を記述する際に慣性系とは異なる視点が得られますが、同時に慣性力(見かけの力)を考慮する必要があります。

慣性系と回転座標系の関係式
慣性系と回転座標系の座標変換関係

運動方程式と慣性力

慣性系におけるニュートンの運動方程式を回転座標系へ変換すると、本来の力に加えて遠心力とコリオリの力という二つの慣性力が現れます。これにより、回転系内での運動方程式は以下の形式で記述されます。

回転座標系における運動方程式
回転座標系での運動方程式(遠心力とコリオリの力を含む)

回転座標系の公式

回転座標系において、あるベクトルA(t)の時間変化(相対導関数)をdA/dtと定義すると、静止した慣性系に対する時間変化(絶対導関数)dA/dtとの間には以下の関係が成り立ちます。

相対導関数
回転座標系における相対導関数
絶対導関数
慣性系における絶対導関数
回転座標系の公式
回転座標系の公式:絶対導関数と相対導関数の関係

この公式は、回転系内での物理現象を解析する際の基礎となります。地球表面のような回転する系において、気象現象や物体の運動を記述する際に不可欠な概念です。

よくある質問

回転座標系とは何ですか?
慣性系に対してある軸まわりに回転している非慣性系の座標系です。
なぜ回転座標系では慣性力が現れるのですか?
座標系自体が加速(回転)しているため、ニュートンの運動法則を適用する際に補正項として遠心力やコリオリの力が必要になるためです。
地球は回転座標系といえますか?
はい、地球表面は地軸に対して回転しているため、地球上の物体の運動を扱う際には回転座標系として考える必要があります。

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参考文献

戸田盛和『力学』岩波書店、1982年、208, 215頁。