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第10章固定軸まわりの回転

10.1 Rotational Variables10.1 回転を表す量

Learning Objectives学習目標

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By the end of this section, you will be able to:
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この節を終えると、次のことができるようになる。
  • Describe the physical meaning of rotational variables as applied to fixed-axis rotation
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    固定軸の周りの回転に用いる、回転を表す量の物理的意味を述べる。
  • Explain how angular velocity is related to tangential speed
    英語のヒント
    角速度と接線方向の速さの関係を説明する。
  • Calculate the instantaneous angular velocity given the angular position function
    英語のヒント
    角位置の関数が与えられたとき、瞬間角速度を計算する。
  • Find the angular velocity and angular acceleration in a rotating system
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    回転する系の角速度と角加速度を求める。
  • Calculate the average angular acceleration when the angular velocity is changing
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    角速度が変化するときの平均角加速度を計算する。
  • Calculate the instantaneous angular acceleration given the angular velocity function
    英語のヒント
    角速度の関数が与えられたとき、瞬間角加速度を計算する。
So far in this text, we have mainly studied translational motion, including the variables that describe it: displacement, velocity, and acceleration. Now we expand our description of motion to rotation—specifically, rotational motion about a fixed axis. We will find that rotational motion is described by a set of related variables similar to those we used in translational motion.
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本書ではここまで、並進運動と、それを記述する量である変位、速度、加速度を主に学んできた。ここから運動の記述を回転、特に固定軸の周りの回転運動へ広げる。回転運動も、並進運動で用いたものと似た、互いに関係する一組の量で記述されることが分かる。

Angular Velocity角速度

Uniform circular motion (discussed previously in Motion in Two and Three Dimensions) is motion in a circle at constant speed. Although this is the simplest case of rotational motion, it is very useful for many situations, and we use it here to introduce rotational variables.
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等速円運動(「2次元と3次元の運動」で扱った)とは、円周上を一定の速さで動く運動である。これは回転運動の最も単純な場合だが、多くの状況で非常に有用である。ここでは、回転を表す量を導入するために使う。
In Figure 10.2, we show a particle moving in a circle. The coordinate system is fixed and serves as a frame of reference to define the particle’s position. Its position vector from the origin of the circle to the particle sweeps out the angle θ, which increases in the counterclockwise direction as the particle moves along its circular path. The angle θ is called the angular position of the particle. As the particle moves in its circular path, it also traces an arc length s. The particle may complete more than one revolution around the circle, and so the angle θ may be greater than 2π, and the arc length s may be greater than the circumference, 2πr.
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図10.2に円周上を動く粒子を示す。座標系は固定され、粒子の位置を定める基準系となる。円の原点から粒子へ向かう位置ベクトルが掃く角をθとする。粒子が円形の経路を進むにつれ、この角は反時計回りの方向へ増える。角θを粒子の角位置と呼ぶ。円周上を動く粒子は、長さsの弧も描く。粒子は円を1周以上することもあるので、角θは2πより大きくなり、弧長sは円周2πrより長くなることもある。
反時計回りに動く粒子のグラフ。座標系の原点から粒子の経路上の点sへ向かうベクトルrが、x軸と角θをなす。

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

Figure 10.2図 10.2
A particle follows a circular path. As it moves counterclockwise, it sweeps out a positive angle θ with respect to the x-axis and traces out an arc length s.
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粒子が円形の経路をたどる。反時計回りに動くにつれ、x軸から測った正の角θを掃き、長さsの弧を描く。
The angle is related to the radius of the circle and the arc length by
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角は、円の半径と弧長に次のように関係する。
The angle θ, the angular position of the particle along its path, has units of radians (rad). There are 2π radians in 360°. Note that the radian measure is a ratio of length measurements, and therefore is a dimensionless quantity. As the particle moves along its circular path, its angular position changes and it undergoes angular displacements Δθ.
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角θは、経路上の粒子の角位置を表し、単位はラジアン(rad)である。360°は2πラジアンに等しい。ラジアンによる角の値は長さ同士の比であり、無次元量であることに注意しよう。粒子が円形の経路を進むと角位置が変わり、角変位Δθを生じる。
We can assign vectors to the quantities in Equation 10.1. The angle θ→ is a vector out of the page in Figure 10.2. The angular position vector r→ and the arc length s→ both lie in the plane of the page. These three vectors are related to each other by
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式10.1の量に、ベクトルを対応させられる。角θ→は、図10.2の紙面から手前へ向かうベクトルである。角位置ベクトルr→と弧長s→は、どちらも紙面内にある。この三つのベクトルは、次の関係を持つ。
s→=θ→×r→.
(10.2)
That is, the arc length is the cross product of the angle vector and the position vector, as shown in Figure 10.3.
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つまり、図10.3に示すように、弧長は角ベクトルと位置ベクトルの外積である。
xyz座標系に三つのベクトルを示す。θベクトルはzの正方向へ向く。sベクトルはxy平面内にある。rベクトルは座標系の原点からsベクトルの始点へ向かう。

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Figure 10.3図 10.3
The angle vector points along the z-axis and the position vector and arc length vector both lie in the xy-plane. We see that s→=θ→×r→. All three vectors are perpendicular to each other.
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角ベクトルはz軸に沿い、位置ベクトルと弧長ベクトルはどちらもxy平面内にある。s→=θ→×r→であり、三つのベクトルは互いに垂直である。
The magnitude of the angular velocity, denoted by ω, is the time rate of change of the angle θ as the particle moves in its circular path. The instantaneous angular velocity is defined as the limit in which Δt→0 in the average angular velocity ω–=ΔθΔt:
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ωで表す角速度の大きさは、円形経路を動く粒子の角θの時間変化率である。瞬間角速度は、平均角速度ω–=ΔθΔtでΔt→0とした極限として定義する。
where θ is the angle of rotation (Figure 10.2). The units of angular velocity are radians per second (rad/s). Angular velocity can also be referred to as the rotation rate in radians per second. In many situations, we are given the rotation rate in revolutions/s or cycles/s. To find the angular velocity, we must multiply revolutions/s by 2π, since there are 2π radians in one complete revolution. Since the direction of a positive angle in a circle is counterclockwise, we take counterclockwise rotations as being positive and clockwise rotations as negative.
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ここで、θは回転角である(図10.2)。角速度の単位はラジアン毎秒(rad/s)である。角速度は、毎秒何ラジアン回転するかという回転の割合とも言える。多くの場合、回転の割合は回転毎秒やサイクル毎秒で与えられる。角速度を求めるには、回転毎秒の値に2πを掛けなければならない。1回転が2πラジアンだからである。円の正の角は反時計回りなので、反時計回りの回転を正、時計回りの回転を負とする。
We can see how angular velocity is related to the tangential speed of the particle by differentiating Equation 10.1 with respect to time. We rewrite Equation 10.1 as
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式10.1を時間で微分すると、角速度と粒子の接線方向の速さの関係が分かる。式10.1を次のように書き直す。
s=rθ.
Taking the derivative with respect to time and noting that the radius r is a constant, we have
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半径rが一定であることに注意して時間で微分すると、次を得る。
dsdt=ddt(rθ)=θdrdt+rdθdt=rdθdt
where θdrdt=0. Here dsdt is just the tangential speed vt of the particle in Figure 10.2. Thus, by using Equation 10.3, we arrive at
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ここで、θdrdt=0である。dsdtは、図10.2の粒子の接線方向の速さvtにほかならない。したがって、式10.3を使うと次を得る。
That is, the tangential speed of the particle is its angular velocity times the radius of the circle. From Equation 10.4, we see that the tangential speed of the particle increases with its distance from the axis of rotation for a constant angular velocity. This effect is shown in Figure 10.4. Two particles are placed at different radii on a rotating disk with a constant angular velocity. As the disk rotates, the tangential speed increases linearly with the radius from the axis of rotation. In Figure 10.4, we see that v1=r1ω1 and v2=r2ω2. But the disk has a constant angular velocity, so ω1=ω2. This means v1r1=v2r2 or v2=(r2r1)v1. Thus, since r2>r1, v2>v1.
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つまり、粒子の接線方向の速さは、角速度と円の半径の積である。式10.4から、角速度が一定なら、粒子の接線方向の速さは回転軸からの距離とともに増すことが分かる。図10.4にこれを示す。一定の角速度で回転する円板上で、二つの粒子を異なる半径に置く。円板が回転すると、接線方向の速さは、回転軸からの半径に比例して増える。図10.4では、v1=r1ω1およびv2=r2ω2である。しかし、円板の角速度は一定なので、ω1=ω2となる。したがって、v1r1=v2r2、すなわちv2=(r2r1)v1である。r2>r1なので、v2>v1となる。
回転する円板上の二つの粒子。粒子1は回転軸から距離r1にあり、速さv1で動く。粒子2は回転軸から距離r2にあり、速さv2で動く。

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Figure 10.4図 10.4
Two particles on a rotating disk have different tangential speeds, depending on their distance to the axis of rotation.
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回転する円板上の二つの粒子は、回転軸からの距離に応じて、接線方向の速さが異なる。
Up until now, we have discussed the magnitude of the angular velocity ω=dθ/dt, which is a scalar quantity—the change in angular position with respect to time. The vector ω→ is the vector associated with the angular velocity and points along the axis of rotation. This is useful because when a rigid body is rotating, we want to know both the axis of rotation and the direction that the body is rotating about the axis, clockwise or counterclockwise. The angular velocity ω→ gives us this information. The angular velocity ω→ has a direction determined by what is called the right-hand rule. The right-hand rule is such that if the fingers of your right hand wrap counterclockwise from the x-axis (the direction in which θ increases) toward the y-axis, your thumb points in the direction of the positive z-axis (Figure 10.5). An angular velocity ω→ that points along the positive z-axis therefore corresponds to a counterclockwise rotation, whereas an angular velocity ω→ that points along the negative z-axis corresponds to a clockwise rotation.
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ここまでは、角速度の大きさω=dθ/dt、つまり角位置の時間変化率というスカラー量を扱った。ベクトルω→は角速度に対応するベクトルで、回転軸に沿う。剛体が回転するときには、回転軸と、その軸の周りに時計回りか反時計回りかという回転の向きの両方を知りたいので、このベクトルが役立つ。角速度ω→はその情報を与える。角速度ω→の向きは、右手の法則と呼ぶ規則で定まる。右手の指を、x軸からy軸へ反時計回り(θが増える向き)に曲げると、親指がz軸の正方向を指す(図10.5)。したがって、正のz軸に沿う角速度ω→は反時計回りの回転に対応し、負のz軸に沿う角速度ω→は時計回りの回転に対応する。
xyz座標系と、xy平面内の反時計回りの回転。角速度はzの正方向へ向く。

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Figure 10.5図 10.5
For counterclockwise rotation in the coordinate system shown, the angular velocity points in the positive z-direction by the right-hand-rule.
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図の座標系で反時計回りに回転する場合、右手の法則によって、角速度はzの正方向へ向く。
Similar to Equation 10.2, one can state a cross product relation to the vector of the tangential velocity as stated in Equation 10.4. Therefore, we have
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式10.2と同様に、式10.4で示した接線速度のベクトルにも外積の関係を述べられる。したがって、次が成り立つ。
v→=ω→×r→.
(10.5)
That is, the tangential velocity is the cross product of the angular velocity and the position vector, as shown in Figure 10.6. From part (a) of this figure, we see that with the angular velocity in the positive z-direction, the rotation in the xy-plane is counterclockwise. In part (b), the angular velocity is in the negative z-direction, giving a clockwise rotation in the xy-plane.
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つまり、図10.6に示すように、接線速度は角速度と位置ベクトルの外積である。(a)では角速度がzの正方向にあると、xy平面内の回転は反時計回りになる。(b)では角速度がzの負方向にあり、xy平面内の回転は時計回りになる。
(a)xyz座標系に三つのベクトルを示す。ωはzの正方向を向き、vはxy平面内にある。rは座標系の原点からvの始点へ向かう。(b)xyz座標系に三つのベクトルを示す。ωはzの負方向を向き、vはxy平面内にある。rは原点からvの始点へ向かう。

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Figure 10.6図 10.6
The vectors shown are the angular velocity, position, and tangential velocity. (a) The angular velocity points in the positive z-direction, giving a counterclockwise rotation in the xy-plane. (b) The angular velocity points in the negative z-direction, giving a clockwise rotation.
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角速度、位置、接線速度の各ベクトル。(a)角速度がzの正方向にあると、xy平面内の回転は反時計回りになる。(b)角速度がzの負方向にあると、回転は時計回りになる。
Example 10.1例題 10.1

Rotation of a Flywheelはずみ車の回転

A flywheel rotates such that it sweeps out an angle at the rate of θ=ωt=(45.0rad/s)t radians. The wheel rotates counterclockwise when viewed in the plane of the page. (a) What is the angular velocity of the flywheel? (b) What direction is the angular velocity? (c) How many radians does the flywheel rotate through in 30 s? (d) What is the tangential speed of a point on the flywheel 10 cm from the axis of rotation?
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はずみ車が回転し、掃く角度がθ=ωt=(45.0rad/s)tラジアンで与えられる。車輪は、紙面内で見ると反時計回りに回転する。(a)はずみ車の角速度は何か。(b)角速度の向きは何か。(c)30 s間に何ラジアン回転するか。(d)回転軸から10 cm離れた点の接線方向の速さは何か。

Strategy方針

The functional form of the angular position of the flywheel is given in the problem as θ(t)=ωt, so by taking the derivative with respect to time, we can find the angular velocity. We use the right-hand rule to find the angular velocity. To find the angular displacement of the flywheel during 30 s, we seek the angular displacement Δθ, where the change in angular position is between 0 and 30 s. To find the tangential speed of a point at a distance from the axis of rotation, we multiply its distance times the angular velocity of the flywheel.
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はずみ車の角位置はθ(t)=ωtという関数の形で与えられているので、時間で微分すれば角速度を求められる。角速度の向きには右手の法則を使う。30 s間の角変位を求めるには、0 sと30 sの間の角位置の変化Δθを求める。回転軸からある距離にある点の接線方向の速さは、その距離にはずみ車の角速度を掛けて求める。

Solution解答

  1. ω=dθdt=45rad/s. We see that the angular velocity is a constant.
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    ω=dθdt=45rad/s。角速度が一定であることが分かる。
  2. By the right-hand rule, we curl the fingers in the direction of rotation, which is counterclockwise in the plane of the page, and the thumb points in the direction of the angular velocity, which is out of the page.
    英語のヒント
    右手の法則に従い、指を回転の向き、つまり紙面内の反時計回りに曲げる。すると親指は角速度の向き、つまり紙面から手前へ向く。
  3. Δθ=θ(30s)−θ(0s)=45.0(30.0s)−45.0(0s)=1350.0rad.
  4. vt=rω=(0.1m)(45.0rad/s)=4.5m/s.

Significance考察

In 30 s, the flywheel has rotated through quite a number of revolutions, about 215 if we divide the angular displacement by 2π. A massive flywheel can be used to store energy in this way, if the losses due to friction are minimal. Recent research has considered superconducting bearings on which the flywheel rests, with zero energy loss due to friction.
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30 sの間にはずみ車はかなりの回数を回転している。角変位を2πで割ると、約215回転になる。摩擦による損失が最小限なら、このような方法で重いはずみ車にエネルギーを蓄えられる。近年の研究では、はずみ車を支える超伝導軸受を使い、摩擦によるエネルギー損失を0にすることが検討されている。