2009年9月17日 (木) 06:41時点における版編集 Emply shell China dry (会話 \| 投稿記録) 1,253 回編集 →‎質点系の力学 ← 古い編集		2009年9月26日 (土) 15:54時点における版編集取り消し灰 (会話 \| 投稿記録) 1,272 回編集 m編集の要約なし新しい編集 →
6行目: ==質点系の力学== ===質点の運動方程式=== ====重心の運動方程式==== {{main\|運動量保存の法則}} 古典力学において、質量は物体がどんな状況にあろうと変化しない値なので、質量<math>\,m</math>、速さ<math>\vec{v}</math>、位置座標<math>\vec{r}</math>の質点の運動方程式を次のように表すことができる。 :{{Indent\|<math>\vec{F}=m\frac{d^2\vec{r}}{dt^2}=m\frac{d\vec{v}}{dt}=\frac{d\vec{p}}{dt}</math>}} ここで、<math>\vec{p}</math>は[[運動量]]と呼ばれる物理量である。質点が複数ある質点系において、'''[[重心]]'''と呼ばれる座標<math>\vec{r}_G</math>が存在する。質点系の質点は互いに離れてばらばらに運動しているが、すべての質点の質量を持ち、その運動は質点系そのものの運動とみなせる質点を扱うことができる。その質点が重心であり、その運動方程式を'''重心の運動方程式'''という。 :{{Indent\|<math>M\frac{d^2\vec{r}_G}{dt^2}=\frac{d\vec{P}}{dt}=\sum_{i=1}^N F_i</math>}} ここで、<math>\,M</math>は質点系内の全質量(重心の質量)、<math>\,N</math>は質点の個数、<math>\vec{P}</math>は全運動量(重心の運動量)、<math>\,F_i</math>はi番目の質点に働く[[運動の第3法則\|外力]]である。重心の運動量は[[運動の第3法則\|内力]]には依存せず、したがって、外力が働いていない系、または外力の総和が<math>\,0</math>の系では全運動量<math>\vec{P}</math>は保存される。質点の個数<math>\,N</math>が無限にあり、連続的に分布している系では、重心座標は次のように表される。 :{{Indent\|<math>\begin{align} \vec{r}_G & \equiv \frac{1}{M}\int_{V}^{} \vec r\, dm \\ & =\frac{1}{M}\int_{V}^{} \vec r\rho (\vec r)\, dV \\ & =\frac{1}{M}\iiint_{V}^{} \vec r\rho (\vec r)\, dx\,dy\,dz \\ \end{align} </math><br /> :<math>M\equiv \int_{V}^{} \, dm=\int_{V}^{} \vec r\rho (\vec r)\, dV=\iiint_{V}^{} \vec r\rho (\vec r)\, dx\,dy\,dz</math>}} ここで、<math>\rho (\vec r)</math>は位置<math>\vec{r}</math>での質点の密度を示し、積分領域<math>\,V</math>は質点の分布している領域に亘っている。 ====相対座標の運動方程式==== {{main\|換算質量}} AとBの2つの質点がある。AとBはそれぞれ座標は<math>\vec{r}_A,\vec{r}_B</math>、質量は<math>m_A,\,m_B</math>、速さは<math>\vec{v}_A,\vec{v}_B</math>である。[[作用・反作用の法則]]を考慮して、Aの運動方程式に<math>\,m_B</math>を掛け、Bの方程式には<math>\,m_A</math>を掛けて引き算すれば :{{Indent\|<math>m_Am_B\frac{d^2(\vec{r}_B-\vec{r}_A)}{dt^2}=(m_A+m_B)\vec{F}_{BA}+m_A\vec{F}_B-m_B\vec{F}_A</math>}} となり、外力がないとき上式は次のようになる。 :{{Indent\|<math>\frac{m_1m_2}{m_1+m_2}\frac{d^2(\vec{r}_B-\vec{r}_A)}{dt^2}=\vec{F}_{BA}</math>}} この式は、座標を<math>\vec{r}\equiv \vec{r}_B-\vec{r}_A</math>、質量を<math>\mu\equiv \tfrac{m_Am_B}{m_A+m_B}</math>とする質点の運動方程式とみなすことができる。<math>\vec{r}</math>を'''相対座標'''、<math>\,\mu</math>を'''換算質量'''と呼ぶ。したがって、上の運動方程式は :{{Indent\|<math>\mu\frac{d^2\vec{r}}{dt^2}=\mu\frac{d\vec{v}}{dt}=\vec{F}_{BA}</math>}} のようにあらわされ、ちょうど換算質量を持つ質点が、[[相対速度]]で運動するときの運動方程式とみなせる。これを'''相対座標の運動方程式'''という。とくに<math>m_A\ll m_B</math>のときには、換算質量は小さいほうの質量<math>\,m_A</math>に等しいとみなせる。 :{{Indent\|<math>\mu =\frac{m_Am_B}{m_A+m_B}\fallingdotseq m_A</math>}} この場合には、ちょうど静止した大きな質量<math>\,m_B</math>からの力を受けて運動する、質量<math>\,m_A</math>の質点の運動方程式を表すことになる。たとえば、地球の周りを回る人工衛星は、静止している地球からの[[引力]]を受けて運動していると近似的に扱うことができる。 ===衝突=== ここでは、AとBの2つの質点が衝突したとき、その前後の運動を記述する。このとき、外力が働かず、[[位置エネルギー]]は<math>\,0</math>か無視できる程度のものとする。[[運動量保存の法則]]から、衝突前後の運動量をそれぞれ<math>p_A,\,p_B,\,p'_A,\,p'_B</math>とすれば、 :{{Indent\|<math>\vec{p}_A+\vec{p}_B=\vec{p'}_A+\vec{p'}_B</math>}} となり、衝突時に[[運動エネルギー]]が保存されているなら、 :{{Indent\|<math>\frac{\vec{p}_A^2}{2m_A}+\frac{\vec{p}_B^2}{2m_B}=\frac{\vec{p}_A'^2}{2m_A}+\frac{\vec{p}_B'^2}{2m_B}</math>}} が成り立ち、このときの衝突を'''弾性衝突'''または'''完全弾性衝突'''という。これ以外、すなわち運動エネルギーが保存されていないときの衝突を'''非弾性衝突'''といい、特に衝突後にとが一体となって運動したときは'''完全非弾性衝突'''と呼ぶ。 48 ⟶ 52行目: 現実には運動エネルギーは保存されず、[[熱エネルギー]]や[[振動]]エネルギーなどに一部変化する。実際には物体は質点ではないので[[剛体#剛体の運動エネルギー\|回転運動エネルギー]]や変形のエネルギーなどにも変化する。 ====1次元の衝突==== 相対速度の方向に座標軸をとり、質量が<math>m_A,\,m_B</math>の2つの質点の座標軸上の衝突について記述する。運動量保存の法則から、 :{{Indent\|<math>m_A\vec{v}_A+m_B\vec{v}_B=m_A\vec{v'}_A+m_B\vec{v'}_B</math>}} よって、反発係数の定義から、衝突後の速度は次のように表され、 :{{Indent\|<math>\vec{v'}_A=\vec{v}_A+\frac{m_B}{m_A+m_B}(\vec{v}_B-\vec{v}_A)(1+e)</math><br /> :<math>\vec{v'}_B=\vec{v}_B+\frac{m_A}{m_A+m_B}(\vec{v}_A-\vec{v}_B)(1+e)</math>}} 衝突前後の運動エネルギーの差は :{{Indent\|<math>\frac{1}{2}(m_A\vec{v}_A^2+m_B\vec{v}_B^2)-\frac{1}{2}(m_A\vec{v}_A'^2+m_B\vec{v}_B'^2)=\frac{1}{2}\frac{m_Am_B}{m_A+m_B}(\vec{v}_A-\vec{v}_B)^2(1+e^2)</math>}} 日常で1次元の衝突の例を挙げれば、[[ビリヤード]]の球同士の衝突は近似的に弾性衝突であるし、原子核の[[原子核融合\|核融合反応]]は完全弾性衝突である。 63 ⟶ 68行目: 接触面での摩擦がないとすると、接触面に平行な成分は速度も運動量も保存される。接触面方向には外力も内力も働かないためだ。衝突前の速さと接線のなす角をそれぞれ<math>\alpha,\,\beta</math>、衝突後の速さと接線のなす角をそれぞれ<math>\alpha',\,\beta'</math>ととると、接線方向の成分は :{{Indent\|<math>v_A'\,\cos \alpha '=v_A\,\cos\alpha</math><br /> :<math>v_B'\,\cos \beta '=v_B\,\cos \beta </math>}} 接触面に直行する成分(法線成分)は、 {{Indent\| :<math>v'_A\sin \alpha '=v_A\cos \alpha +\frac{m_B}{m_A+m_B}(v_B\sin \beta -v_A\sin \alpha )(1+e)</math> :<math>v'_B\sin \beta '=v_B\sin \beta +\frac{m_A}{m_A+m_B}(v_A\sin \alpha -v_B\sin \beta )(1+e)</math>}} となる。 ===力のモーメント=== {{main\|角運動量}} 質点系の力のモーメントは全質点の外力のモーメントの総和に等しく、内力のモーメントに依存しない。 :{{Indent\|<math>\vec{N}\equiv \sum_i \vec{N}_i=\sum_i \vec{r}_i\times \vec{F}_i=\sum_i \frac{d\vec{l}_i}{dt}=\frac{d\vec{L}}{dt}</math><br /> :<math>\sum_i \vec{l}_i\equiv \vec{L}</math>}} {{DEFAULTSORT:しつてん}}

「質点」の版間の差分