回転（物理学）とは：定義・回転軸・自転と公転・軌道運動・角運動量

回転（物理学）の基礎を図解で解説：回転軸・自転と公転の違い、軌道運動、角運動量の概念と計算例までわかりやすく紹介。

回転とは、物体が円運動をすることです。

2次元の物体は、回転の中心（点）を中心に回転します。三次元の物体は、軸と呼ばれる線の周りを回転する。回転軸が物体内にある場合、物体はそれ自体で回転する、またはスピンすると言われ、これは相対的な速度とおそらく角運動量のある自由な動きを意味する。外部の点を中心とした円運動（例えば、太陽の周りの地球）は、軌道と呼ばれ、より正確には軌道回転と呼ばれる。

定義と基本概念

回転は、物体内の点が同一の中心や軸の周りを円弧を描いて運動する現象です。平面内の回転は一つの点（回転中心）を軸として考えることができ、立体（3次元）の回転は直線（回転軸）を中心に回ります。回転の速さは角速度で表され、単位はラジアン毎秒（rad/s）です。角速度ベクトルは回転軸に沿って定義され、その向きは通常右ねじの法則で決まります（回転方向にねじを回したときに進む向きがベクトルの向き）。

回転軸と種類

• 内部軸による回転（自転／スピン）：回転軸が物体の内部を通る場合。コマや地球の自転が典型例。自転は物体が自身の中心を中心に回る動きで、物体の各点は円運動を行います。
• 外部点を中心とする回転（公転／軌道）：中心が物体の外にある場合の円運動。例えば地球の太陽周回は公転（軌道運動）に相当します。
• 剛体回転：物体の形が変わらず、各点が同じ角速度で回る場合。解析が簡単で、角運動量や慣性モーメントの概念が使えます。

角運動量と力学的性質

角運動量（L）は回転する物体の回転の量的指標で、剛体に対しては L = Iω の関係が成り立ちます。ここで I は慣性モーメント（質量分布に依存）で、ω は角速度です。角運動量はベクトル量で向きは角速度と一致します。

角運動量は外部からのトルク（回転力）がなければ保存されます（角運動量保存則）。この性質から、スケート選手が腕を縮めて回転を速めるなどの現象が説明できます。トルク τ は角運動量の時間変化率であり、τ = dL/dt です。

回転に伴うエネルギーは回転運動エネルギーで表され、剛体の場合は K = 1/2 I ω^2 となります。

軌道運動（公転）と力学

軌道運動は中心力（例えば重力）によって物体が中心の周りを回る運動です。ケプラーの法則やニュートンの万有引力によって惑星運動は記述されます。軌道運動でも角運動量の保存が重要で、軌道面内で角運動量が一定に保たれることで軌道の面が固定されます。

注意点と応用例

• 古典的な回転概念は多くの現象を説明しますが、電子のスピンは量子力学的な内在的性質であり、古典的な「回転」とは本質的に異なります。
• 日常の例：車輪の回転、洗濯機のドラム、地球の自転と公転、コマの回転など。
• 工学応用：回転体の設計（慣性モーメントの最適化）、ジャイロスコープによる姿勢制御、角運動量を利用した安定化技術など。

まとめ

回転は、点や軸の周りでの円運動を指し、2次元では回転中心を、3次元では回転軸を用いて記述されます。自転（スピン）と公転（軌道）は区別され、角速度・角運動量・慣性モーメント・トルク・回転エネルギーなどの概念で力学的に扱われます。外部トルクがなければ角運動量は保存されるため、多くの物理現象や工学的応用に重要な役割を果たします。

回転の種類

ある平面上の点の周りの回転は、時計回りか反時計回りがある。

航空

フライトダイナミクスでは、主要な回転をピッチ、ロール、ヨーと呼んでいる。また、航空分野では、特に離陸のための大きな上昇を開始するときに、航空機の上向きピッチを指して回転という用語が使われることがある。水中を移動する魚にも同じ用語が使われる。

遊園地の乗り物

遊園地の乗り物には回転を与えるものが多い。観覧車や展望台は、中心軸が水平で、各ゴンドラに平行な軸があり、重力や機械的な力で反対方向に回転するようになっています。

スポーツ

回転は、通常スピンと呼ばれ、多くのスポーツで役割を担っている。テニスではトップスピンとバックスピン。ビリヤードやビリヤードのイングリッシュ、フォロー、ドロー。野球のカーブボール、クリケットのスピンボウリング。卓球のパドルは、プレイヤーがボールを打つときにスピンをかけることができるように特化されています。

時計回り方向

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