5.15: 非慣性座標系

慣性系に対して加速または減速する基準系は非慣性系です。 これを理解するために、飛行機の離陸、車の角を曲がる、メリーゴーランドに乗る、熱帯低気圧の円運動に共通するものを考えてみましょう。 これらすべての系は、地球に対して加速、減速、または回転しています。 したがって、それらはすべて非慣性フレームです。 これらすべての系は慣性力を示しますが、観察者の基準系が加速または回転しているため、単に動きから生じているように見えます。 使用されている参照フレームを調べることで、これらの観点を調整できます。 物理学者は、分析する状況に最も便利な基準座標系を選択します。 物理学者は、都合がよければ、いつものように慣性力やニュートンの第二法則を問題なく含めることができます。 同様に、非慣性 (加速) 座標系が役立つ場合には使用されます。 たとえば、光速に近い速度で移動する宇宙船内の宇宙飛行士の動きを議論する場合、これは特殊相対性理論に当てはまるため、さまざまな基準系を考慮する必要があります。

地球は、その回転によって生じる影響をほとんどまたはまったく心配することなく、慣性座標系として使用できます。 ただし、そのような影響は、たとえば気象系の回転などに存在します。 北極の上から見ると、地球は反時計回りに回転しており、地球の北半球での運動には右方向のコリオリ力がかかります。 南半球ではその逆が起こり、力は左側にあります。 地球の角速度が小さいため、コリオリの力は通常は無視できますが、風のパターンなどの大規模な動きに対しては大きな影響を与えます。 コリオリの力により、北半球のハリケーンは反時計回りに回転しますが、南半球の熱帯低気圧は時計回りに回転します。

熱帯低気圧の回転とメリーゴーランドのボールの軌道は、慣性とその下の系の回転によって同様に説明できます。 非慣性系を使用する場合、曲線経路を説明するにはコリオリの力などの慣性力を発明する必要があります。 これらの慣性力の物理的原因を特定できるものはありません。 慣性系を使用すると、慣性によって経路が説明され、あらゆる力の特定可能な発生源が存在します。 どちらを使用しても自然を説明できますが、すべての力には起源と説明があるため、慣性系でのビューの方が簡単です。

このテキストは から編集されたものです。 Openstax, University Physics Volume 1, Section 5.6: Common Forces および Section 6.3: Centripetal Force.

ニュートンの法則が成り立つ基準系は、慣性系として知られていることを思い出してください。ただし、ニュートンの法則に反する参照系があり、非慣性参照系と呼ばれます。

非慣性系は、慣性系に対して加速または減速しています。

たとえば、飛行機が離陸するとき、乗客は飛行機の加速とは逆の後方の力を感じます。これは、物体が正味の外力の方向に加速されるニュートンの第二法則に違反しています。

非慣性系では、物体の動きを説明するために、物理的な起源を持たない慣性力または架空の力が必要です。したがって、力学では、慣性フレームを使用する方が便利です。

理想的には、地球に固定された基準系は、その公転と自転のために非慣性です。ただし、地球の自転による力は、小さな機械的な動きでは無視できますが、風のパターンのような大規模な動きに影響を与えます。

このフレームの架空の力は、北半球では時計回りに、南半球では反時計回りに風をそらします。