プリンキピア

第6章ニュートンの法則の応用

Banked Curves傾斜を付けたカーブ

Let us now consider banked curves, where the slope of the road helps you negotiate the curve (Figure 6.22). The greater the angle θ, the faster you can take the curve. Race tracks for bikes as well as cars, for example, often have steeply banked curves. In an “ideally banked curve,” the angle θ is such that you can negotiate the curve at a certain speed without the aid of friction between the tires and the road. We will derive an expression for θ for an ideally banked curve and consider an example related to it.
英語のヒント
道路の横方向の傾斜が曲がるのを助けるカーブを考えよう(図6.22)。角度θが大きいほど、速く曲がれる。たとえば、自転車や自動車の競技場には、強い傾斜の付いたカーブがよくある。「理想的な傾斜のカーブ」では、ある速さで走るとき、タイヤと路面の摩擦の助けなしに曲がれるように角度θが決められる。この理想的な傾斜角θの式を導き、例を考えよう。
車が奥へ進みながら、左下がりの斜面上で左へ曲がる。路面は水平とθの角をなす。車に重ねた力の図では、wは鉛直下向き、Nは鉛直から左へθだけ傾く。太い赤い力の矢印に加えて、Nの上向き成分と左向き成分を細い黒い矢印で示す。N cosθ=w、N sinθ=向心力=合力という関係がある。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 6.22図 6.22
The car on this banked curve is moving away and turning to the left.
英語のヒント
傾斜したカーブを走る車は、奥へ進みながら左へ曲がる。
For ideal banking, the net external force equals the horizontal centripetal force in the absence of friction. The components of the normal force N in the horizontal and vertical directions must equal the centripetal force and the weight of the car, respectively. In cases in which forces are not parallel, it is most convenient to consider components along perpendicular axes—in this case, the vertical and horizontal directions.
英語のヒント
理想的な傾斜では、摩擦がなくても外力の合力が水平な向心力に等しくなる。垂直抗力Nの水平成分と鉛直成分は、それぞれ向心力と車の重さに等しくなければならない。力が平行でない場合には、互いに垂直な軸に沿う成分を考えるのが便利である。この場合は鉛直と水平である。
Figure 6.22 shows a free-body diagram for a car on a frictionless banked curve. If the angle θ is ideal for the speed and radius, then the net external force equals the necessary centripetal force. The only two external forces acting on the car are its weight w→ and the normal force of the road N→. (A frictionless surface can only exert a force perpendicular to the surface—that is, a normal force.) These two forces must add to give a net external force that is horizontal toward the center of curvature and has magnitude mv2/r. Because this is the crucial force and it is horizontal, we use a coordinate system with vertical and horizontal axes. Only the normal force has a horizontal component, so this must equal the centripetal force, that is,
英語のヒント
図6.22は、摩擦のない傾斜したカーブを走る車の力の図である。角度θが速さと半径に対して理想的なら、外力の合力は必要な向心力に等しい。車に働く外力は、重さw→と路面の垂直抗力N→の二つだけである。摩擦のない面は、面に垂直な垂直抗力しか及ぼせない。二つの力を合わせると、曲率中心に向かう水平な合力となり、その大きさはmv2/rでなければならない。この重要な力が水平なので、水平・鉛直の軸を使う。水平成分をもつのは垂直抗力だけなので、それが向心力に等しくなる。つまり、
Nsinθ=mv2r.
Because the car does not leave the surface of the road, the net vertical force must be zero, meaning that the vertical components of the two external forces must be equal in magnitude and opposite in direction. From Figure 6.22, we see that the vertical component of the normal force is Ncosθ, and the only other vertical force is the car’s weight. These must be equal in magnitude; thus,
英語のヒント
車は路面から離れないので、鉛直方向の合力は0でなければならない。つまり二つの外力の鉛直成分は、大きさが等しく向きが逆になる。図6.22より、垂直抗力の鉛直成分はNcosθで、それ以外の鉛直な力は車の重さだけである。大きさが等しいので、
Ncosθ=mg.
Now we can combine these two equations to eliminate N and get an expression for θ, as desired. Solving the second equation for N=mg/(cosθ) and substituting this into the first yields
英語のヒント
二つの式を組み合わせてNを消去すれば、求めたいθの式が得られる。第2式をN=mg/(cosθ)について解き、第1式に代入すると、
mgsinθcosθ=mv2rmgtanθ=mv2rtanθ=v2rg.
Taking the inverse tangent gives
英語のヒント
逆正接を取ると、
This expression can be understood by considering how θ depends on v and r. A large θ is obtained for a large v and a small r. That is, roads must be steeply banked for high speeds and sharp curves. Friction helps, because it allows you to take the curve at greater or lower speed than if the curve were frictionless. Note that θ does not depend on the mass of the vehicle.
英語のヒント
θがvとrにどう依存するかを考えると、この式を理解できる。vが大きくrが小さいほど、θは大きい。つまり、高速で急なカーブを曲がるには、路面に大きな傾斜が必要になる。摩擦も役立つ。摩擦がない場合の速さより速くても遅くても、カーブを曲がれるようにするからである。θは車の質量には依存しない。
Example 6.16例題 6.16

What Is the Ideal Speed to Take a Steeply Banked Tight Curve?急な傾斜のきついカーブを曲がる理想的な速さは?

Curves on some test tracks and race courses, such as Daytona International Speedway in Florida, are very steeply banked. This banking, with the aid of tire friction and very stable car configurations, allows the curves to be taken at very high speed. To illustrate, calculate the speed at which a 100.0-m radius curve banked at 31.0° should be driven if the road were frictionless.
英語のヒント
フロリダのデイトナ・インターナショナル・スピードウェイなど、試験場や競技場の一部には非常に強く傾斜したカーブがある。この傾斜にタイヤの摩擦と安定した車の構造が加わり、非常に高速で曲がれる。例として、半径100.0 mで31.0°の傾斜のあるカーブを考える。路面に摩擦がなければ、どの速さで走るべきかを求めよ。

Strategy方針

We first note that all terms in the expression for the ideal angle of a banked curve except for speed are known; thus, we need only rearrange it so that speed appears on the left-hand side and then substitute known quantities.
英語のヒント
理想的な傾斜角の式では、速さ以外の項はすべて既知である。したがって速さが左辺に来るよう式を変形し、既知量を代入すればよい。

Solution解答

Starting with
英語のヒント
次の式から始める。
tanθ=v2rg,
we get
英語のヒント
これより、
v=rgtanθ.
Noting that tan31.0°=0.6009, we obtain
英語のヒント
tan31.0°=0.6009に注意すると、
v=(100.0m)(9.80m/s2)(0.609)=24.3m/s.

Significance考察

This is just about 87.5 km/h, consistent with a very steeply banked and rather sharp curve. Tire friction enables a vehicle to take the curve at significantly higher speeds.
英語のヒント
これは約87.5 km/hであり、大きな傾斜をもつかなり急なカーブとして妥当である。タイヤの摩擦があれば、さらにかなり速く曲がれる。
Airplanes also make turns by banking. The lift force, due to the force of the air on the wing, acts at right angles to the wing. When the airplane banks, the pilot is obtaining greater lift than necessary for level flight. The vertical component of lift balances the airplane’s weight, and the horizontal component accelerates the plane. The banking angle shown in Figure 6.23 is given by θ. We analyze the forces in the same way we treat the case of the car rounding a banked curve.
英語のヒント
飛行機も機体を傾けて旋回する。翼に働く空気の力による揚力は、翼に垂直に働く。傾けて旋回するとき、パイロットは水平飛行に必要な値より大きな揚力を得ている。揚力の鉛直成分は機体の重さとつり合い、水平成分が機体を加速する。図6.23の傾斜角はθで与えられる。傾斜したカーブを曲がる車と同じ方法で力を分析できる。
こちらへ飛んでくる飛行機が、見る側から時計回りにθ傾く。重さwは真下、揚力Lは翼に垂直で、鉛直上向きから右へθ傾く。Lの水平成分Lhorizontalは右向き。破線がLとwによる平行四辺形を完成し、Lの鉛直成分とwの大きさが等しいことを示す。

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Figure 6.23図 6.23
In a banked turn, the horizontal component of lift is unbalanced and accelerates the plane. The normal component of lift balances the plane’s weight. The banking angle is given by θ. Compare the vector diagram with that shown in Figure 6.22.
英語のヒント
傾けて旋回するとき、揚力の水平成分はつり合わず、機体を加速する。揚力の垂直成分は機体の重さとつり合う。傾斜角はθで与えられる。このベクトル図を図6.22と比べよう。
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