第4回ヨーヨーの力学 1ジャイロ効果

ヨーヨーをエンジニアリング的に考えていく上で最低限必要な力学の知識を簡単に並べておこう。
とりあえず、ジャイロ効果、バランス、力学の3つを説明しよう。

ヨーヨーを語る上ではずせないのがジャイロ効果！
・ヨーヨーが回ることでジャイロ効果を発生する。
・ジャイロ効果でヨーヨーは回転の向きを変えないような力を発生させている。
・ ジャイロ効果でヨーヨーの回転が安定しているので、回ってるヨーヨーは傾きにくい。

じゃあジャイロ効果ってなんだ？
角運動量ベクトルとかいろんな表現での解説があるが一番わかりやすかった説明で表現してみよう。一応この辺は力学のページの解説を参考にアレンジしているので、あまり突っ込まないでほしい。

点が持っている運動エネルギーと方向を矢印であらわしてみよう。(このDの長さが力の大きさ、難しい言葉で“ベクトル”という)

回転してる“こま”があるとしよう。ここで4つの点を決めそれぞれのこまの円盤の密度が均等なら皆同様に円の接線方向に同じ大きさの力を持って回っている。

回転が傾くとどうなるか？

運動方向は傾きにあわせて変化するが
コマがもっている力の方向は元々持っている動きの力を維持し続けようとする“慣性の法則”に基づいて“元の回転面に対して”平行の力を持っている。なので点AとCでは上下に水平移動しただけなので方向は変わらないが、BとDの点では力の向きが変わってしまう。

回転方向青力の向きを赤で書いた場合

真上から見ると変わらないが、横から見ろとBとDの点では回転方向と力の向きに違いが生じる。
その結果各点での力の振る舞い
A：上下に移動しただけで力の方向と回転方向は同じなので変化なし。
B：元の力の向き(赤)に戻そうとするため回転方向(青)を上に上げる力が働く。
C：上下に移動しただけで力の方向と回転方向は同じなので変化なし。
D：元の力の向き(赤)に戻そうとするため回転方向(青)を下に下げる力が働く。
外部から加えられた力（外力）によって変えられた回転方向(青)を元の力の向き(赤)に戻そうとする作用が“ジャイロ効果”だ。回転は目に見えるが、力の向きが目には見えないのでイメージしづらいが、これで理解していただけただろうか？

慣性の作用で、回転軸を変えられた物体が元の向きにもどろうとするため、回転方向を力の向きにあわせようとして働く力がジャイロ効果
運動エネルギーのCOSθがジャイロ効果として働く力なわけだ。

まだちょっと分かりづらいという方は、なぜ方向を変えたものが元の方向に動こうとするのかイメージしづらいのだと思う。
ドリフト走行でも、向きを変えた車体に対する、それまでの慣性力の向きは変わらない。
車体を滑らせまず車体の方向を変え、その後方向を変えたことによる減速効果失われた運動エネルギーとタイヤから路面に与えるトルクのバランスがによって進行方向を変えていくのがドリフトだが、方向が変わっても車体の進行方向への惰性が強かった場合、方向を変えた車体が曲がりきれずコーナーに激突またはスピンする。車体を傾ける力だけが強すぎればスピンだ。

ドリフトの例

向きは変わっても力はかわらない？
方向は変わっても力の向きは変わらなかったわけだ。もちろんある程度進行方向への力をそいで曲がりきることも出来る。このときある力を失って方向を変えるわけだ。

正しいドリフト

この場合進入速度による慣性力を3の位置で殺して車体のグリップを復帰した結果、タイヤの力を路面に伝達できて、タイヤの力を進行方向の力に変換できたわけだ。

ヨーヨーで言えばジャイロターン？ジャイロターンはドリフトにイメージが似てる。車の場合後から速度を与えられるが、ヨーヨーの場合は方向を変える＝最初に持ってたエネルギーをロスして方向を変えるので、失われた回転力は戻らない。回転力を犠牲にして（失う分の力を方向転換の形で失う）方向転換させる。

１．車体の方向転換＝ヨーヨーの傾き
２．進行方向への慣性力＝ジャイロ効果
３．タイヤ方路面への力＝ヨーヨーの回転力

この3つがバランスよく行われないとドリフトもジャイロターンも成立しない。


スピンするドリフト

回転体の力の向きは目に見えなくてイメージしづらいが、車の動きにみたてればちょっとはイメージできただろうか？
結局回転体は目に見えない力の向きに引かれて回転面を維持しているわけだ。

引っ張りすぎてジャイロにしっぱいしてぐるぐる回るヨーヨー・・・・(涙)