2026/4/22, Hiizu Nakanishi

逆立ちコマの運動

コマ送り: 1 倍速
床との摩擦の抵抗係数: $k$ = 0.5
初期スピン速度: $\omega$ = 0 回転/time
軸の傾き角: $\theta$ =
逆立ちコマの運動のコンピューターシミュレーション

球形の底面をもつコマは「逆立ちコマ」と呼ばれ、回すと自然に逆立ちして重 心が上った状態で安定に回転することが知られている。その様子を、コン ピューターシミュレーションする。

「スタート」ボタンを押すとシミュレーションがスタートする。 「中断」「再開」ボタンで、 シミュレーションを中断したり再開したりすることができる。 「リセット」ボタンで、コマの位置および姿勢を元の状態に戻す。

「床との接点の軌跡」ボタンで、 コマと床との接点の床上(黄)およびコマの表面(緑)での軌跡を表示する。

初期スピン速度 $ \omega $ 、軸の傾き角 $ \theta $ 、および シミュレーションのコマ送りの速さを、 それぞれのスライダーで変えることができる。

床との摩擦の抵抗係数 $ k $ : 床とコマの接点で、 コマが床の上をスリップする速度 $ \vec v_C $ に比例した 摩擦力 $ \vec F_{\rm fric} $ \[ \vec F_{\rm fric}= -k\,\vec v_C \] が働くとした。 $ k=0 $ の場合には摩擦力が働かないので、 コマの重心は水平方向には移動しない(あるいは、等速直線運動をする)。 $ k $ が無限大のときには、接点はスリップしない: $ \vec v_C = 0 $ .

$ k=0 $ の場合にはコマは逆立ちしないので、 逆立ちのためには摩擦力が必要なことがわかる。

一方、興味深いことに $ k $ が無限大の場合にも逆立ちしない。この場 合、摩擦力は働くがスリップしないので力学的エネルギーは保存することに注 意。シミュレーションを早回しすると、くるくる回りながらコマは大きな円周 上を移動して、2重2重周期的運動をしていることが見て取れる。

シミュレーションに用いた運動方程式は、 計算ノートを参照のこと。

その他のシミュレーター