等速円運動と向心力
1 · 予測
棒に付いた球が一定の速さで固定された中心軸の周りを回る。半径を同じに保って球の公転速度を上げると、一周に要する時間（周期）は長くなるか、短くなるか、それとも変わらないか？
- 周期は長くなる（一周により長い時間がかかる）。
- 周期は変わらない（速さは周期に影響しない）。
- 周期は短くなる（一周により短い時間しかかからない）。
2 · 準備
- 等速円運動プリセットを開く。棒の長さ（公転半径）と球の質量を確認し、重力がオフであることを確かめる。経路を曲げる力は棒だけが与える。
- 速度プローブが球に付いていることを確認し、球にタイマーを置いて一回転の時間を測定できるようにする。
- 以下の各試行について、球の質量、棒の長さ（半径）、初期接線速度を設定し、「再生」を押して一周の時間を測定する。
3 · データ収集
| 質量 m (kg) | 半径 r (m) | 公転速度 v (m/s) | 向心力 F = mv²/r (N) | 周期 T（一周） (s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 2.00 | 3.00 | ||
| 1.00 | 3.00 | 4.00 | ||
| 2.00 | 2.50 | 5.00 |
3回の試行について、周期 T（縦軸）を r/v（横軸）に対してプロットする。線の形を説明する。
4 · 分析
- 1回の試行について、設定した半径と速さから周期を計算する過程（T = 2πr/v）を示し、シミュレーション内のタイマー表示と比較する。
- 3回の試行で、半径を一定にして速さを上げると周期はどう変わるか？速さを一定にして半径を大きくすると周期はどう変わるか？両方を T = 2πr/v を用いて説明する。
5 · 発展
- このプリセットでは、運動が真に等速となるように重力をオフにしている。重力を再びオンにし、棒がなお水平な円を描く場合、球の速さは一周を通じて一定に保たれるか？理由を説明する。
- 手で振り回すひもの先の球のような実際に公転する物体は、毎周、空気抵抗と支点によって少しエネルギーを失う。測定した周期は多くの周回で完全に一定と予想するか、それともずれるか？ずれるならどちらの向きか？
この実験の物理
向心力
球が直線ではなく円を描いて運動し続けるために、棒が内向きに与えなければならない力。これは球の質量、一定の公転速度、円の半径に依存する。各試行の設定で棒に感じる張力がこれに当たる。