コリオリ力 (1回目)
2023/9/22(金)
コリオリ力 (1回目)
(Coriolis force)
コリオリ力を求める
■ 導出
▼ 定義
k = x,y,zとする
静止座標系の基底を(ex, ey, ez) = ek
座標を(x, y, z)で表す
この静止系のz軸まわりに角速度ωで回転している
回転座標系の基底を(ex', ey', ez') = ek'
座標を(x', y', z')で表す
位置ベクトルは
r = xex + yey + zez = x'ex' + y'ey' + z'ez'
ここでexとex'のなす角は
θ = ωt
▼ 回転系の基底
ex = (1, 0)をθ傾けると
ex'= (cosθ, sinθ) = (cosθ, 0) + (0, sinθ)
= (1, 0)cosθ + (0, 1)sinθ = excosθ + eysinθ
ey = (0, 1)をθ傾けると
ey'= (-sinθ, cosθ) = (-sinθ, 0) + (0, cosθ)
= -(1, 0)sinθ + (0, 1)cosθ
よって
ex' = excosωt + eysinωt
ey' = -exsinωt + eycosωt
ez' = ez
ekとez'は時間変化しないので微分は
ex' = -exωsinωt + eyωcosωt = ωey'
ex' = -exω2cosωt - eyω2sinωt = -ω2ex'
ey' = -exωcosωt - eyωsinωt = -ωex'
ey' = exω2sinωt - eyω2cosωt = -ω2ey'
ez' = ez' = 0
▼ 回転系の位置
r = xex + yey + zez = x'ex' + y'ey' + z'ez'
r = (d2/dt2)(x'ex' + y'ey' + z'ez')
= (x'ex'+y'ey'+z'ez') + 2(x'ex'+y'ey'+0) + (x'ex'+y'ey'+0)
= (x'ex'+y'ey'+z'ez') + 2ω(x'ey'-y'ex') - ω2(x'ex'+y'ey')
▼ F = ma
F = ma = mr
= m(x'ex'+ y'ey'+ z'ez')
+ 2mω(x'ey'- y'ex') - mω2(x'ex'+ y'ey')
ここで
ma' = mr' = m(x'ex'+ y'ey'+ z'ez')
= F - 2mω(x'ey'- y'ex') + mω2(x'ex'+ y'ey')
ここで
FC:コリオリ力(Coriolis force)
fC:遠心力(Centrifugal force)
として
FC = -2mω(x'ey'- y'ex')
fC = mω2(x'ex'+ y'ey')
と置くと
mr' = F + FC + fC
▼ コリオリ力
v' = r' = x'ex'+ y'ey'+ z'ez'
長さがωで回転軸方向のベクトルを
ωとすると
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
ω×r' = ω×v' =
= (ωyvz'-ωzvy', ωzvx'-ωxvz', ωxvy'-ωyvx')
= (-ωvy', ωvx', 0) = ω(-y', x', 0)
= ω(-y'ex'+ x'ey') = ω(x'ey'- y'ex')
よって
FC = -2mω(x'ey'- y'ex')
= -2mω×r' = -2mω×v'
▼ 向心力
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez' と置くと
v:点r'が角速度ωで円運動している速度
v = ω×r'
= (ωyrz'-ωzry', ωzrx'-ωxrz', ωxry'-ωyrx')
= (-ωry', ωrx', 0) = (-ωy', ωx', 0)
= (-ωy'ex'+ ωx'ey')
= (vx, vy, vz) = (-ωy', ωx', 0)
f:向心力(Centripetal force)
f = mω×(ω×r')
= m(ωyvz-ωzvy, ωzvx-ωxvz, ωxvy-ωyvx)
= m(-ωvy, ωvx, 0) = ω2(-x', -y', 0)
= -mω2(x'ex'+ y'ey')
fC = mω2(x'ex'+ y'ey') = -f
= -mω×(ω×r')
▼ 遠心力
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez'と置き
z'軸に垂直と平行な成分をそれぞれ
r'⊥ = x'ex' + y'ey'
r'// = z'ez'
と置くと
ω(ω・r') = ω(ωz') = ωez'(ωz')
= ω2z'ez' = ω2r'//
fC = mω2(x'ex'+ y'ey')
= mω2r'⊥
= mω2r' - mω2r'//
= mω2r' - mω(ω・r')
■ 結果
▼ 定義
静止座標系のz軸まわりに角速度ωで回転している
回転座標系を'付きで表す
F :物体に加える力
f :向心力(Centripetal force)
FC :コリオリ力(Coriolis force)
fC :遠心力(Centrifugal force)
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez'
z'軸に垂直と平行な成分はそれぞれ
r'⊥ = x'ex' + y'ey'
r'// = z'ez' = ω(ω・r')/ω2
f = mω×(ω×r') = -mω2(x'ex'+ y'ey') = -fC
▼ 運動方程式
ma' = mr' = F + FC + fC
= F - 2mω(x'ey'- y'ex') + mω2(x'ex'+ y'ey')
= F - 2mω×r' - mω×(ω×r')
= F - 2mω×r' + mω2{r'- ω(ω・r')/ω2}
= F - 2mω×v' + mω2r'⊥
コリオリ力 (1回目)
(Coriolis force)
コリオリ力を求める
■ 導出
▼ 定義
k = x,y,zとする
静止座標系の基底を(ex, ey, ez) = ek
座標を(x, y, z)で表す
この静止系のz軸まわりに角速度ωで回転している
回転座標系の基底を(ex', ey', ez') = ek'
座標を(x', y', z')で表す
位置ベクトルは
r = xex + yey + zez = x'ex' + y'ey' + z'ez'
ここでexとex'のなす角は
θ = ωt
▼ 回転系の基底
ex = (1, 0)をθ傾けると
ex'= (cosθ, sinθ) = (cosθ, 0) + (0, sinθ)
= (1, 0)cosθ + (0, 1)sinθ = excosθ + eysinθ
ey = (0, 1)をθ傾けると
ey'= (-sinθ, cosθ) = (-sinθ, 0) + (0, cosθ)
= -(1, 0)sinθ + (0, 1)cosθ
よって
ex' = excosωt + eysinωt
ey' = -exsinωt + eycosωt
ez' = ez
ekとez'は時間変化しないので微分は
ex' = -exωsinωt + eyωcosωt = ωey'
ex' = -exω2cosωt - eyω2sinωt = -ω2ex'
ey' = -exωcosωt - eyωsinωt = -ωex'
ey' = exω2sinωt - eyω2cosωt = -ω2ey'
ez' = ez' = 0
▼ 回転系の位置
r = xex + yey + zez = x'ex' + y'ey' + z'ez'
r = (d2/dt2)(x'ex' + y'ey' + z'ez')
= (x'ex'+y'ey'+z'ez') + 2(x'ex'+y'ey'+0) + (x'ex'+y'ey'+0)
= (x'ex'+y'ey'+z'ez') + 2ω(x'ey'-y'ex') - ω2(x'ex'+y'ey')
▼ F = ma
F = ma = mr
= m(x'ex'+ y'ey'+ z'ez')
+ 2mω(x'ey'- y'ex') - mω2(x'ex'+ y'ey')
ここで
ma' = mr' = m(x'ex'+ y'ey'+ z'ez')
= F - 2mω(x'ey'- y'ex') + mω2(x'ex'+ y'ey')
ここで
FC:コリオリ力(Coriolis force)
fC:遠心力(Centrifugal force)
として
FC = -2mω(x'ey'- y'ex')
fC = mω2(x'ex'+ y'ey')
と置くと
mr' = F + FC + fC
▼ コリオリ力
v' = r' = x'ex'+ y'ey'+ z'ez'
長さがωで回転軸方向のベクトルを
ωとすると
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
ω×r' = ω×v' =
= (ωyvz'-ωzvy', ωzvx'-ωxvz', ωxvy'-ωyvx')
= (-ωvy', ωvx', 0) = ω(-y', x', 0)
= ω(-y'ex'+ x'ey') = ω(x'ey'- y'ex')
よって
FC = -2mω(x'ey'- y'ex')
= -2mω×r' = -2mω×v'
▼ 向心力
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez' と置くと
v:点r'が角速度ωで円運動している速度
v = ω×r'
= (ωyrz'-ωzry', ωzrx'-ωxrz', ωxry'-ωyrx')
= (-ωry', ωrx', 0) = (-ωy', ωx', 0)
= (-ωy'ex'+ ωx'ey')
= (vx, vy, vz) = (-ωy', ωx', 0)
f:向心力(Centripetal force)
f = mω×(ω×r')
= m(ωyvz-ωzvy, ωzvx-ωxvz, ωxvy-ωyvx)
= m(-ωvy, ωvx, 0) = ω2(-x', -y', 0)
= -mω2(x'ex'+ y'ey')
fC = mω2(x'ex'+ y'ey') = -f
= -mω×(ω×r')
▼ 遠心力
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez'と置き
z'軸に垂直と平行な成分をそれぞれ
r'⊥ = x'ex' + y'ey'
r'// = z'ez'
と置くと
ω(ω・r') = ω(ωz') = ωez'(ωz')
= ω2z'ez' = ω2r'//
fC = mω2(x'ex'+ y'ey')
= mω2r'⊥
= mω2r' - mω2r'//
= mω2r' - mω(ω・r')
■ 結果
▼ 定義
静止座標系のz軸まわりに角速度ωで回転している
回転座標系を'付きで表す
F :物体に加える力
f :向心力(Centripetal force)
FC :コリオリ力(Coriolis force)
fC :遠心力(Centrifugal force)
ω = (ωx, ωy, ωz) = (0, 0, ω) = ωez'
r' = x'ex' + y'ey' + z'ez'
z'軸に垂直と平行な成分はそれぞれ
r'⊥ = x'ex' + y'ey'
r'// = z'ez' = ω(ω・r')/ω2
f = mω×(ω×r') = -mω2(x'ex'+ y'ey') = -fC
▼ 運動方程式
ma' = mr' = F + FC + fC
= F - 2mω(x'ey'- y'ex') + mω2(x'ex'+ y'ey')
= F - 2mω×r' - mω×(ω×r')
= F - 2mω×r' + mω2{r'- ω(ω・r')/ω2}
= F - 2mω×v' + mω2r'⊥