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5分でわかる歳差運動!コマや天体の例を挙げて理系学生ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「歳差運動」について解説していくぞ。

歳差運動は、物体が回転している際に、観察できる現象の一つだ。コマを回転させたときにも、歳差運動を見ることができるぞ。また、地球の自転も歳差運動と深い関係がある。今回は、コマの回転や地球の自転といった歳差運動の具体例を紹介する。そして、歳差運動の力学的な考察手法も紹介するぞ。ぜひ、この機会に歳差運動についての理解を深めてくれ。

塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

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ライター/通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

1.歳差運動とは?

この記事では、歳差運動という現象について解説しますね。物体が回転する際には、その回転軸の方向は変化しています。この現象が、歳差運動なのです。歳差運動の様子が、すり鉢で味噌をすっているように見えることから、歳差運動は味噌すり運動とも呼ばれていますよ。

以下では、歳差運動の具体的な例としてコマと地球の運動を紹介します。まずは具体例を知り、歳差運動の概要を理解しましょう。その後に、計算式を用いて、歳差運動を力学の視点で解明していきますね。聞きなれない用語などが登場することもかと思いますが、そのようなときは、定義や意味をしっかりと確認してください。

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まずは具体例を通して、歳差運動について学ぶぞ。

1-1コマの運動

image by iStockphoto

皆さんの中にも、コマを回して遊んだことのある方がおられるかと思います。コマが回転を初めてから、回転が止まるまでの様子を思い返してみてください。コマが回転を始めた直後は、コマは高速で回転し、軸はほとんどぶれることはありません

しかしながら、時間が経過すると、コマは失速しますよねコマが失速すると、軸はぶれるようになります。軸がぶれるというのはコマが傾いていると表現することもできますよ。このとき、コマの軸の先端部は円を描くように運動しています。

コマの回転速度が低下すると、コマの運動は、回転軸まわりの回転運動と軸の回転運動が合成された状態になるのですね。以上のような運動が歳差運動です。時間の経過により、コマの回転力が失われ、その失われた分が歳差運動のエネルギーの源になっているようなイメージですね。このような物理学的な考察は、後で詳しく述べますね。

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コマが失速すると、軸がふらつく。これがまさに歳差運動だ。

1-2地球の運動

image by iStockphoto

地球などの天体の自転運動も歳差運動です地球の自転軸は傾いていることが知られていますよね。地球の自転軸の傾き(黄道傾斜角)は、約23°です。地球の自転軸が傾いているため、公転により太陽に対する地球の位置が変化すると、地球表面の日射量分布も変化します。これにより、地球上の温度分布なども1年を通して変化するのです。これが、季節変化のメカニズムですよね。

現在、地球の自転軸は北極星に向かっています。しかしながら、地球の回転軸の向きは、歳差運動によって日々わずかに変化しているはずですよね。つまり、いつの日か、北極星は動かない星ではなくなるのです。ただし、地球の自転軸の歳差運動の周期は約2万6千年だとされています。周期が非常に長いので、回転軸が常に同じ方向にあるように感じるのですね。コマの歳差運動の周期が数秒であることと比較すると、天文学がいかに大きな時間やサイズを扱う学問であるかが実感できます。

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