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3分で簡単にわかる円運動!天体の公転やハンマー投げの例を挙げて理系学生ライターがわかりやすく解説!

今回は「円運動」について解説していきます。

円運動という概念は力学を学ぶと必ず目にするものです。身近なところから宇宙の科学に至るまで、多くの物理現象の説明に円運動の概念が必要になるからです。つまり、円運動の知識はそれほど重要なものだということです。今回は様々な具体例とともに、円運動の概念を解説することにした。ぜひ、この機会に円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きます。

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。

具体例から学ぶ円運動

この記事では、円運動という物理現象について解説しますね。円運動とは、空間上のある点を中心として円を描くように物体が移動する現象のことを指しますよ。このような運動のメカニズムを数式で説明できるようになることが今回の最終ゴールになります。

以下では、まずはじめに円運動の具体例として、天体の公転ハンマー投げの運動を紹介しますね。まずは具体例を知り、円運動の概要を理解しましょう。その後、計算式を用いて、円運動の仕組みを力学の視点で深堀りしていきます。それでは早速、解説をはじめていきますね。

天体の公転

image by iStockphoto

地球は太陽のまわりを円を描くように移動しており、月は地球のまわりを円を描くように移動しています。このように、惑星や衛星は別の天体の周りを公転しているのです。多くの場合、公転軌道の形状は楕円形をしており、これを近似することで円運動と捉えることができますよ

天体の公転が円運動になっていることは、コペルニクスやケプラーが提唱した地動説を裏付けるものになっています。また、現代においても、人工衛星の打ち上げを行うときに円運動の理論が応用されているのです。以上のことから、円運動の概念は宇宙科学の基礎であることがわかりますよね。

ハンマー投げの運動

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オリンピックの種目になっているハンマー投げですが、円運動という物理現象と深い関わりがありますよ。選手がハンマーを投げる前、ワイヤーにつながれた鉄球は円を描くように運動します。まさに、これが円運動なのです。

ハンマー投げのイメージから、鉄球の速度が大きくなるほど力が必要そうに思う方も少なくないでしょう。実はこの直感的なイメージこそ、後に解説する円運動の計算式に結びつく重要な知見になりますよ。

等速円運動の理論

ここまでは、いくつかの具体例を紹介を通して円運動の概要を学んできました。ここからは、力学の理論を用いて、円運動という現象を一般化する手法を解説していきます。今回は、円運動の中でも最も単純な「等速円運動」について述べますね。

具体的には、円軌道における物体の位置をベクトルで表す方法や円運動における速度加速度の考え方について詳しく解説しますよ。聞きなれない用語が登場することもあるかと思いますが、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ね。

\次のページで「等速円運動を特徴を表すパラメータ」を解説!/

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