まとめ
【定義】
ふり子の各地点における瞬間の移動方向のことである。常に円軌道の接線方向を向いており、糸が切れた場合にはその瞬間の接線方向に運動を継続する。
まとめ
解説
ふり子は支点を中心とした円運動の一部を行うため、各地点における運動の向きは、その点を通る円の接線方向と一致する。これは瞬間の速度ベクトルを意味しており、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すこととなる。
ふり子の長さと1往復にかかる時間(周期)の間には、一定の法則がある。周期はふり子の長さの平方根に比例するため、長さが4倍になれば周期は2倍、長さが9倍になれば周期は3倍、長さが16倍になれば周期は4倍になる。例えば、長さが25cmで周期が1.0秒のふり子の場合、長さを100cmにすると周期は2.0秒になり、400cmにすると4.0秒になることが確認されている。
この平方根の法則性は、振らし始める高さと最下点での速さの関係にも当てはまる。力学的エネルギー保存の法則に基づき、位置エネルギーが運動エネルギーに変換される際、最下点での速さは高さの平方根に比例する。したがって、振らし始める高さを4倍(b=4a)に設定すると、最下点での速さは2倍に増加する。
また、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、全体の周期は変化した各々の長さにおける周期を算出し、その平均値として求めることができる。周期2.0秒のふり子と周期1.4秒のふり子の長さが組み合わさった場合、1往復の時間は(2.0+1.4)÷2=1.7秒となる。
補足
ふり子の周期はおもりの重さや振れ幅(振れ角が小さい場合)には依存せず、ふり子の長さのみによって決定される。
参照: 学習指導要領準拠資料
小学生のみなさんへ
ふり子が動いているとき、その「向き」はいつも円の「接線(せっせん)」という方向を向いています。もし動いている途中で糸が切れてしまったら、おもりはその瞬間の方向にまっすぐ飛んでいきます。
ふり子には、長さと時間の特別なルールがあります。ふり子の長さが4倍になると、1往復する時間は2倍になります。長さが9倍になると、時間は3倍になります。長さと時間は同じようには増えず、計算のルール(平方根)によって決まっています。
また、ふり子をはなす高さが高くなればなるほど、一番下のところを通るスピードは速くなります。高さが4倍になると、スピードは2倍になります。
もし途中に釘(くぎ)があってふり子の長さが変わる場合は、それぞれの長さでの時間の「平均」を出すことで、1往復の時間を計算することができます。
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