まとめ
【定義】
ふり子が1往復するのにかかる時間のことである。おもりの重さや振れ幅には依存せず、ふり子の長さのみによって決定される物理量である。
まとめ
解説
ふり子の周期を決定する要因は、支点からおもりの中心までの「ふり子の長さ」のみである。振れ幅(振れ角が小さい場合)やおもりの重さを変えても周期は変化しない。この性質をふり子の等時性と呼ぶ。
周期と長さの間には「周期は長さの平方根に比例する」という法則が存在する。具体的には、ふり子の長さを4倍にすると周期は2倍、長さを9倍にすると周期は3倍、長さを16倍にすると周期は4倍になる。例えば、長さ25cmで周期が1.0秒のふり子があるとき、その長さを100cm(4倍)に延長すると、周期は2.0秒(2倍)へと変化する。
また、ふり子の各地点における瞬間の運動方向は、常に円軌道の接線方向を向いている。これは瞬間の速度ベクトルを表しており、仮に運動の途中で糸が切れた場合、おもりは慣性の法則に従ってその瞬間の接線方向へと直線的に飛び出していくこととなる。
エネルギーの観点では、力学的エネルギー保存の法則に基づき、振らし始める高さと最下点での速さの間にも平方根の法則が適用される。最下点での速さは高さの平方根に比例するため、高さを4倍にすると速さは2倍になる。
特殊なケースとして、支点の下に釘を打って途中でふり子の長さが変化する場合、全体の周期はそれぞれの長さにおける周期の平均値として算出する。例えば、周期2.0秒の状態と周期1.4秒の状態が組み合わさったふり子の1往復にかかる時間は、(2.0 + 1.4) ÷ 2 = 1.7秒となる。
補足
近代科学の父であるアイザック・ニュートンは、万有引力の法則の発見など物理学に多大な功績を残した。力の大きさを表す単位「ニュートン(N)」は彼の名にちなんでいる。ふり子の運動も重力という「力」によって支配されており、物理学の基礎を理解する上で重要な要素である。
参照: 学習指導要領準拠資料
小学生のみなさんへ
ふり子が1往復(いって、もどってくる)するのにかかる時間を「周期(しゅうき)」といいます。
ふり子の周期について、大切な決まりが3つあります。
1. おもりの重さを変えても、周期は変わりません。
2. ふれはば(しんぷく)を変えても、周期は変わりません。
3. 「ふり子の長さ」を変えたときだけ、周期が変わります。
ふり子の長さと時間の関係には、特別な算数のルールがあります。ふり子の長さを4倍にすると周期は2倍に、長さを9倍にすると周期は3倍になります。つまり、長さを長くすればするほど、1往復にかかる時間は長くなるのです。
また、ふり子の糸がとちゅうで切れたら、おもりは「その瞬間の進んでいた方向」にまっすぐ飛んでいきます。ふり子の運動は、科学者のニュートンが見つけた「力の法則」とも深い関係があるんですよ。
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