振り子ふりこシミュレータ

振り子を大きくふらせると、「本当の動き」と「かんたんな式で計算した動き」は 少しずつズレていきます。スライダーを動かして、そのズレを目で確かめてみよう。

① 本当の動き 角度がどれだけ大きくても正確に計算 d²θ/dt² = −(g/l) sinθ
② かんたん近似 角度が小さいときだけ使える、簡単な式 d²θ/dt² = −(g/l)θ

▶ やってみよう

操作パネル

50°
大きくするほど、①と②の違いが目立つよ
1.00 m
9.81 m/s²
0.00 /s
だんだん揺れが小さくなっていくよ
経過時間0.00 s
① 本当の角度0.0°
② 近似の角度0.0°
ズレ(差)0.0°
①の1往復の時間
②の1往復の時間

角度の変化グラフ

直近12秒 · 下段は①と②のズレ

動きの軌跡

横:角度/縦:揺れる速さ

なぜ2つの動きはズレるの?

②の「かんたん近似」は、sinθ を θ そのもので置きかえた式です。 θ が小さいうちは sinθ ≈ θ とみなせますが、角度が大きくなると この置きかえの誤差がだんだん無視できなくなります。ブランコを少しだけ揺らすときと、 思いきり大きく漕ぐときとで、1往復にかかる時間の感覚が変わってくるのと同じイメージです。

目安として、初期角度 θ₀ = 10° では誤差は約0.5%とほぼ無視できますが、 30° では約4.6%、90° では約41%まで広がります。 「動きの軌跡」グラフでは、②が常にきれいなだ円を描くのに対し、 ①は角度が大きいほどだ円からつぶれた形へと歪んでいく様子が見えるはずです。

もっと詳しく知りたい人へ(誤差の計算式)

誤差の見積もりはテイラー展開 θ − sinθ ≈ θ³/6 から来ていて、相対誤差はおよそ θ₀²/6 になります。 画面上の「①の1往復の時間」は、単振り子の厳密解に現れる完全楕円積分 T = 4√(l/g)·K(sin(θ₀/2)) を数値計算(算術幾何平均法)で求めたものです。