プリンキピア

第13章万有引力

The Gravitational Field重力場

Equation 13.2 is a scalar equation, giving the magnitude of the gravitational acceleration as a function of the distance from the center of the mass that causes the acceleration. But we could have retained the vector form for the force of gravity in Equation 13.1, and written the acceleration in vector form as
英語のヒント
式13.2はスカラーの式であり、加速度を生じさせる質量の中心からの距離の関数として、重力加速度の大きさを与える。しかし、式13.1の重力をベクトルの形のまま保ち、加速度も次のようにベクトルで表すことができた。
g→=GMr2r^.
We identify the vector field represented by g→ as the gravitational field caused by mass M. We can picture the field as shown Figure 13.9. The lines are directed radially inward and are symmetrically distributed about the mass.
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g→で表されるベクトル場を、質量Mが作る重力場と呼ぶ。この場は図13.9のように描ける。線は半径方向の内向きに向かい、質量のまわりに対称に分布する。
3次元のベクトル図で、x、y、zの座標軸が示されている。原点には球形の質量Mがあり、場を表す線がMへ向かっている。座標軸に沿った箱も描かれている。

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Figure 13.9図 13.9
Field line representation of the gravitational field created by Earth.
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地球が作る重力場を力線で表した図。
The direction of g→ is parallel to the field lines at any point. The strength of g→ at any point is inversely proportional to the line spacing. Another way to state this is that the magnitude of the field in any region is proportional to the number of lines that pass through a unit surface area, effectively a density of lines. Since the lines are equally spaced in all directions, the number of lines per unit surface area at a distance r from the mass is the total number of lines divided by the surface area of a sphere of radius r, which is proportional to r2. Hence, this picture perfectly represents the inverse square law, in addition to indicating the direction of the field. In the field picture, we say that a mass m interacts with the gravitational field of mass M. We will use the concept of fields to great advantage in the later chapters on electromagnetism.
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g→の向きは、どの点でも力線と平行である。各点でのg→の強さは、線の間隔に反比例する。言い換えると、ある領域の場の大きさは、単位表面積を通る線の数、つまり実質的には線の密度に比例する。線はすべての方向に等間隔で分布する。そのため、質量から距離rの位置で単位表面積を通る線の数は、線の総数を半径rの球の表面積で割った値となり、r2に比例する。したがって、この描き方は場の向きだけでなく、逆2乗則も正確に表している。場による描像では、質量mは質量Mの重力場と相互作用すると述べる。後の電磁気学の章では、場の概念を大いに活用する。

Apparent Weight: Accounting for Earth’s Rotation見かけの重さ:地球の自転を考慮する

As we saw in Applications of Newton’s Laws, objects moving at constant speed in a circle have a centripetal acceleration directed toward the center of the circle, which means that there must be a net force directed toward the center of that circle. Since all objects on the surface of Earth move through a circle every 24 hours, there must be a net centripetal force on each object directed toward the center of that circle.
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「ニュートンの法則の応用」で見たように、一定の速さで円運動する物体には、円の中心へ向かう向心加速度がある。これは、円の中心へ向かう合力が存在しなければならないことを意味する。地表のすべての物体は24時間ごとに円を1周するので、それぞれの物体には、その円の中心へ向かう正味の向心力が働かなければならない。
Let’s first consider an object of mass m located at the equator, suspended from a scale (Figure 13.10). The scale exerts an upward force F→SE away from Earth’s center. This is the reading on the scale, and hence it is the apparent weight of the object. The weight (mg) points toward Earth’s center. If Earth were not rotating, the acceleration would be zero and, consequently, the net force would be zero, resulting in Fs=mg. This would be the true reading of the weight.
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まず、赤道上ではかりにつり下げられた質量mの物体を考えよう(図13.10)。はかりは地球の中心から離れる上向きの力F→SEを及ぼす。これがはかりの示す値であり、物体の見かけの重さとなる。重力(mg)は地球の中心へ向かう。地球が自転していなければ加速度はゼロであり、したがって合力もゼロとなって、Fs=mgとなる。このとき、はかりは真の重さを示す。
南北の軸を中心に自転する地球と、3か所に置かれたばねばかりの図。地球の半径はR E、中心はOと記されている。北極の上にあるばねばかりの質量には、上向きの力F S Nと下向きの力mgが作用する。地球の中心から北極まで破線が引かれている。 別のばねばかりは赤道の右側にあり、地球の中心と右側の赤道を破線で結んでいる。この質量には右向きのF S Eと左向きのmgが作用する。 3個目のばねばかりは水平方向と角度λをなす位置にある。地球の中心から、その方向の地表まで破線が伸びている。その地表の位置から、中心と北極を結ぶ鉛直の破線までの水平距離がrと記され、両者の交点がPと記されている。この質量には3本の力の矢印があり、F Sは半径方向の外向き、mgは半径方向の内向き、F cは水平左向きに示されている。

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Figure 13.10図 13.10
For a person standing at the equator, the centripetal acceleration (ac) is in the same direction as the force of gravity. At latitude λ, the angle the between ac and the force of gravity is λ and the magnitude of ac decreases with cosλ.
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赤道に立つ人の向心加速度(ac)は、重力と同じ向きである。緯度λでは、acと重力のなす角がλとなり、acの大きさはcosλに従って減少する。
With rotation, the sum of these forces must provide the centripetal acceleration, ac. Using Newton’s second law, we have
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自転があると、これらの力の和は向心加速度acを生み出さなければならない。ニュートンの第2法則を用いると、次のようになる。
Note that ac points in the same direction as the weight; hence, it is negative. The tangential speed v is the speed at the equator and r is RE. We can calculate the speed simply by noting that objects on the equator travel the circumference of Earth in 24 hours. Instead, let’s use the alternative expression for ac from Motion in Two and Three Dimensions. Recall that the tangential speed is related to the angular speed (ω) by v=rω. Hence, we have ac=−rω2. By rearranging Equation 13.3 and substituting r=RE, the apparent weight at the equator is
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acは重力と同じ向きであるため、負になることに注意しよう。接線方向の速さvは赤道上の速さで、rはREである。赤道上の物体が24時間で地球の円周を1周することを利用すれば、速さは簡単に計算できる。ここでは代わりに、「2次元と3次元の運動」で扱ったacの別の表し方を用いよう。接線方向の速さは角速度(ω)とv=rωで結び付いていた。したがってac=−rω2となる。式13.3を変形し、r=REを代入すると、赤道上の見かけの重さは次のようになる。
FSE=m(g−REω2).
The angular speed of Earth everywhere is
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地球の角速度は、どの場所でも次の値である。
ω=2πrad24hr×3600s/hr=7.27×10−5rad/s.
Substituting for the values or RE and ω, we have REω2=0.0337m/s2. This is only 0.34% of the value of gravity, so it is clearly a small correction.
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REとωの値を代入すると、REω2=0.0337m/s2となる。これは重力加速度の値のわずか0.34%なので、補正は明らかに小さい。
Example 13.5例題 13.5

Zero Apparent Weight見かけの重さがゼロになる場合

How fast would Earth need to spin for those at the equator to have zero apparent weight? How long would the length of the day be?
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赤道上にいる人の見かけの重さがゼロになるには、地球はどれほどの速さで自転する必要があるか。そのとき、1日の長さはどれほどになるか。

Strategy方針

Using Equation 13.3, we can set the apparent weight (FSE) to zero and determine the centripetal acceleration required. From that, we can find the speed at the equator. The length of day is the time required for one complete rotation.
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式13.3を用いて、見かけの重さ(FSE)をゼロと置き、必要な向心加速度を求める。そこから赤道上の速さを求められる。1日の長さは、1回転するのに必要な時間である。

Solution解答

From Equation 13.2, we have ∑F=FSE−mg=mac, so setting FSE=0, we get g=ac. Using the expression for ac, substituting for Earth’s radius and the standard value of gravity, we get
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式13.2より∑F=FSE−mg=macである。FSE=0と置くと、g=acを得る。acの式を用い、地球の半径と重力加速度の標準値を代入すると、次のようになる。
ac=v2r=gv=gr=(9.80m/s2)(6.37×106m)=7.91×103m/s.
The period T is the time for one complete rotation. Therefore, the tangential speed is the circumference divided by T, so we have
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周期Tは1回転するのにかかる時間である。したがって、接線方向の速さは円周をTで割った値であり、次の式が成り立つ。
v=2πrTT=2πrv=2π(6.37×106m)7.91×103m/s=5.06×103s.
This is about 84 minutes.
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これは約84分である。

Significance考察

We will see later in this chapter that this speed and length of day would also be the orbital speed and period of a satellite in orbit at Earth’s surface. While such an orbit would not be possible near Earth’s surface due to air resistance, it certainly is possible only a few hundred miles above Earth.
英語のヒント
この速さと1日の長さが、地表すれすれの軌道を回る衛星の軌道の速さと周期にも等しいことを、この章の後半で見る。空気抵抗のため地表付近ではそのような軌道は実現できないが、地球の数百マイル上空であれば確かに可能である。