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exex'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 
 
ekez'は時間変化しないので微分は
e()x' = -exωsinωt + eyωcosωt =  ωey'
e(・・)x' = -exω2cosωt - eyω2sinωt = -ω2ex'
e()y' = -exωcosωt - eyωsinωt = -ωex'
e(・・)y' =  exω2sinωt - eyω2cosωt = -ω2ey'
e()z' = e(・・)z' = 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()'e()x'+y()'e()y'+0) + (x'e(・・)x'+y'e(・・)y'+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: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(ωyvzzvy, ωzvxxvz, ωxvyyvx)
= 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(ωr') = ω(ωz') = ωez'(ωz')
= ω2z'ez' = ω2r'// 
 
fC = mω2(x'ex'+ y'ey')
= mω2r' 
= mω2r' - mω2r'// 
= mω2r' - mω(ωr')
 
 
■ 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(ωr')/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(ωr')/ω2}
= F - 2mω×v' + mω2r' 
 

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