回転するコマは、なぜか倒れない。ジャイロコンパスは常に同じ方向を指し示すという。
回転するコマは、倒そうとする力に直角方向の奇妙な力が働き、倒れないでゆらゆら収差運動をする。
その解説があったので、ご紹介。
そして、その考え方は 磁場の方向に直角に置かれたコイルに電流を流すとモーメント(回転させる力)が発生するモーターの原理に似てる。
以下、解説を引用で紹介する。
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千葉工業大学の解説サイトより
https://www.cfs.chiba-u.jp/koudai-renkei/information/files/Gyro.pdf
ジャイロ効果
図1のように回転しているコマを図2のように右(+Y の向き)に倒すと、水平に運動
していた手前の部分 m は慣性によってそのまま周りの部分を引きずって水平方向に動く。
そのためコマの手前の部分は全体として上に引きずられ紙面の向こう側(- X の向き)
に倒れる。つまり、図1の向きに回転しているコマを右に倒そうとすると紙面の向こう側
に倒れることになる。この関係を外積を使って表現すると、
rから F方向に右ネジを回した時にネジが進む向きが dLの向きになる。
図3のように紙で円板を作り中心付近を指で押さえ全体を右に傾けたまま手前の部分を
水平にゆっくりと動かすと円板が紙面の向こう側に自然に倒れるのが分かる。
引用終わり
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補足 図3で、手前側の運動方向は円盤面より上側を向き、反対側は反対に下側を向く。90度直角位置では動く方向と円盤面は一致。このため円盤は手前側が持ち上がり反対側は沈み込み、コマは奥側に倒れるモーメントが発生する。
図3で、コマの中心軸の傾きを進めて90度にしてみると円盤の手前側の進む方向と向こう側の進む方向は反対となり、中心軸を反時計方向に回すモーメントになっていることがわかる。
コマの中心軸が右に倒れるとコマの軸を紙面の奥側に回転させる力こそ、コマが倒れない原因になっている。
電磁気のモーターでは、
地場の方向とコイルの中心軸が同じ向きの場合には、コイルに流れる電流は磁場と電流に直角な右ねじ方向のローレンツ力が働くが、電流方向により中心軸方向か外側方向か異なるが、中心軸対称になるのですべてのローレンツ力は相殺される。
磁場の方向とコイルの中心軸が直角の場合には、一周するコイルは磁場方向と磁場直角方向成分持つ。磁場方向成分はローレンツ力は発生せず、直径だけ離れたコイルの対称な部分の磁場に直角な成分はそれぞれが電流方向が逆のローレンツ力を発生させ、モーメント力となる。
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力学を使うジャイロの解説サイト 紹介追加
回っているコマはなぜ倒れない?「ジャイロ効果」の不思議な性質 森博嗣 から一部引用紹介
https://www.gentosha.jp/article/25102/
ジャイロ効果とは?
しかし、これだけでは、まだ説明は不足している。ここで、どうしても必要になるのが、「ジャイロ効果」なのだ。これだけは、とにかく理解してもらわないと、本書の内容のほとんどが無意味になってしまう。どうか、落ち着いて、じっくりとこの先を読んでほしい。
まず、結果をずばり書くと、ジャイロ効果とは、回転している物体をある方向へ傾けようと力を加えると、その方向とは違う向きへ傾こうとする、という現象である。
違う方向とはどちらなのか、というと、力が加わった方向から、回転方向へ90度ずれた方向である。
図1・4に示すように、回転している独楽の回転軸をz軸とする。この独楽に対して、x軸のプラス座標が下がるように力をかけてみる。すると、回転方向へ90度ずれたy軸のプラス座標が下がる。これがジャイロ効果である。
傾けようとする力とは、すなわち回転力である。x軸のプラス座標を下げるというのは、y軸を中心とした回転を意味する。そして、この力を受けた独楽は、x軸を中心とした回転をしようとする。図1・4は、これらを示しているので、しばらくこの図を見て、ゆっくりと考えてほしい。
この現象は、非常に奇怪な動きとして実際に観測されるものだ。たとえば、独楽を手に持って試してみると体感できる。ただし、普通の独楽は回転した状態では持ちにくい。ここで登場するのが地球独楽と呼ばれるおもちゃである(図1・5)。この特殊な独楽は、フレームの中で独楽が回るので、そのフレームを手に持つことができる。
中の独楽を回転させた状態で、地球独楽を傾けようとすると、変な方向へ動こうとする。普通の物体(つまり静止した物体)であれば、力を受けた方向へ素直に動く。それが自然であるから、独楽のこの挙動は本当に不思議に感じるだろう。まるで、生き物のように抵抗するのである。
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少々難解だけど数式で解説してくれてるサイトです
ジャイロモーメントとは? ~ 独楽(こま)が倒れない理由
スカイ研究所が 回転モーメントで解説
https://www.sky-engin.jp/blog/gyroscopic-moment/