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遠心力・向心力②

久々に図を描いたわいの。
前回は

{\displaystyle\frac{v}{r}=\omega}

を得るところまで行きましたのじゃ。
さて。向心力を求めるために、

{\vec{F}=m\vec{a}=\cdots}

の形に持ち込みたい。そこで加速度{\vec{a}}を求める。
加速度ベクトルは速度ベクトルの差(変化)を時間で割ったもの。

{\vec{a}=\displaystyle\frac{\vec{v'}-\vec{v}}{t}}

{\vec{v},\vec{v'}}はそれぞれ最初の速度ベクトルとt秒後の速度ベクトル。
等速運動だから、速度の差はないのではないか?
いやいや、ベクトルなので、大きさが同じでも、方向がたがえば別のものだという話のようですぜ…。

そして、考える点が進んだ、そのなす角を{\theta}、円の半径は{r}とする。

f:id:morio_roji1111:20180429070934p:plain

わかりにくい絵でゴメンナサイxωx
ここで速度ベクトルをそろえると、

f:id:morio_roji1111:20180429071401p:plain

何が言いたいのかというと、{\theta}すすんだ時の速度ベクトルのなす角は、同じく{\theta}であるということです。
{\displaystyle\frac{\pi}{2},\pi}の時とかで考えるとわかりやすい。

先に進めます。
f:id:morio_roji1111:20180429072323p:plain

この{\vec{a}}に至るためには、{\vec{v}}とのなす角を知らねばならない。
瞬間の加速度を得るために、{t\rightarrow0}に近づけていくと、{\theta\rightarrow0}となり、
なす角は直角に近づいていくことがわかる。

すなわち、加速度ベクトルは速度ベクトルに対して、円の中心に向かって直角なのだ。
さらに、弧の長さ{v\theta}で近似できる。

f:id:morio_roji1111:20180429072933p:plain

最終的にはこの図のようになるのだな。
前回でてきた{\displaystyle\frac{\theta}{t}=\omega}を使おう。

{a=\displaystyle\frac{v\theta}{t}=v\omega}

さらに{v=r\omega}から、

{a=r\omega^{2}}

となる。
ここまでくれば、最初のニュートンの方程式から、

{\vec{F}=m\vec{a}=mr\displaystyle(\frac{v}{r})^{2}}
{=m\displaystyle\frac{v^{2}}{r}}

が手に入り、ボーアモデルの話にもつなげることができるようになりました、

{\displaystyle\frac{mv^{2}}{r}=\frac{e^{2}}{4\pi\epsilon_{0}r}}

(;ω;)感涙。

高校物理のウェブサイトや、下記のカテキョーのトライさんの動画で勉強いたしました。
なんせ文系なもんで。
大感謝。

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