物理/運動の法則の応用

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物理 ＞ ４章　力学(3) 運動の法則の応用

運動の3法則と力の法則を用いると、分子から銀河まであらゆる物体の運動を求めることが出来きます（その正しさは人工衛星や惑星の運動などで確かめられているが、もっとはるかかなたの天体運動にも正しいというのは仮説である）。 運動の３法則からはエネルギー保存則や運動量保存則などの重要な保存則を導く事が出来る（次章で学ぶ）。

質点の色々な運動

最初に質点とみなせる物体のいくつかの運動を考える。

落体運動

地球上の物体は高いところから落とすと、時間とともに速度を増しながら落下する。
質点の質量を$M$とすると、そこに作用する重力による力は、真下（地球の重心）の方向に大きさ$Mg$。
落下の方向を負にした一次元座標を考え方向まで考慮すると、重力加速度は$-g$、質点$M$に作用する力は$-Mg$。 落下の加速度を$\alpha$と置くと、運動の第２法則より$M\alpha=-Mg$. ゆえに質点の落下加速度$\alpha$は負の重力加速度$-g$に等しい。 $t$で微分して$-g$となる関数は$-gt+c$なので、質点の速度は$-gt+c$である(cは定数で、初期時刻０における質点の初期速度）。微分して$-gt+c$となる関数を求めれば質点の位置$x(t)=-\frac{1}{2}gt^{2}+ ct + d$（$d$は定数で初期時刻０での質点の高さ）が得られる。
これはガリレオが得た落体法則と一致する。
参考文献；

• ウィキブックス（高等学校理科 物理I 運動とエネルギーの2.4.1 ニュートン方程式）
• ウィキブックス（高等学校理科 物理I 運動とエネルギーの1.8 等加速度直線運動）

投射体の運動

質点を地面に対して角度$\theta$（ラジアン）、速さ$u$で投げたときの、質点はどのような運動を行うだろうか。
ガリレオは、慣性法則と落体の法則を組み合わせてりようして、放物線を描いて飛ぶことを発見した。
ニュートン力学を用いれば、運動の第２法則と重力から、以下のように、この運動を導ける。

適切な座標系をいれる

質点が投げ出された場所を原点とし、飛んでいく方向に地面と水平に引いた半直線をx軸の正の側に、地面と直角で上方に向かう半直線をｙ軸の正の側とする座標を定める。

質点に作用する力を求める

空気抵抗を無視すれば、質点に作用する力は、地球からの重力だけである。この力は、質点の質量を$M$,重力加速度を$g$とすると、$\vec F=(o,-Mg)$である。

運動の第２法則から質点の位置の変化をあらわす方程式をつくる

質点の位置ベクトルを$\vec r=(x,y)$で表すと
運動方程式は、$M(d^2/dt^2)\vec{r(t)}=\vec F$である。
座標成分表示すると
$M(d^2/dt^2)x(t)=0$,$\quad$ $M(d^2/dt^2)y(t)=-Mg$

運動の初期状態の指定

投げ上げた瞬間を時刻$t=0$とおくと、質点の初期位置は$\vec{r}(0)=(0,0)$,$\quad$ 初期速度は$\vec{v}(0)=(u\cos{\theta},u\sin{\theta})$

• ウィキブックス（高等学校理科 物理I 運動とエネルギー）の2.4.1 ニュートン方程式

惑星運動

前述のようにケプラーは、火星の観測データをユークリッド幾何学を巧みに利用して分析し次の惑星運動の３法則を発見した。

• ウィキペディア（ケプラーの３法則）

この３法則は、運動の第２法則と万有引力の法則から導くことが出来るが少し難しい数学が必要なので大学で学ぶ。
惑星の軌道を円運動に限定すると、高校の数学の知識で３法則を導けるので説明する。

等速円運動　

等速円運動の速度と加速度　

等速円運動の遠心力　

円軌道の場合のケプラーの法則の導出　

振り子と単振動

• ウィキペディア（単振動）の「振り子」の項を見てください。

質点のつり合い

質点に力Ｆ１，，Ｆｎが作用し、質点が静止したまま（あるいは等速直線運動）であるとき、それらの力は釣り合っているという。釣り合いの条件は、F1+ +Fn=0です(運動の第2法則と力の合成則から導出できる）。

仕事とエネルギー

仕事とは何か

物体に力を加えて動かす時、力はこの物体に仕事をするという。

• ウィキペディア（仕事）を参照のこと。
  

仕事とエネルギーの単位

質点系の運動

2個以上の質点が集まって出来ている系を質点系という。
質点系の運動を考えよう。

質点系の運動と重心

質点系とは、いくつかの質点が集まって作っている系のこと。　　
系の各質点は離れ離れでも良く、また系の任意の２つの質点間には作用・反作用の法則を満たす力が働いていてもよい。この力を質点系の”内力”という。　　
質点系の各質点に外部から力（外力という）が加わる時、この質点系はどんな運動をするだろうか。
質点系の各質点の位置を$\vec{r_i}$、質量を$m_i $とし、質点$m_i$ に作用する外力を$\vec{f_i}$、他の質点$m_j $からうける内力を$\vec{f_{ij}}$とする($i,j=1 \ldots N$)。
すると、各質点に対して、運動の第２法則により、$d (m_i \vec{v_i})/dt=\vec{f_i}+\sum_{j\neq i}\vec{f_{ij}} $, $\qquad$ ここで$\vec{v_i}=d\vec{r_i}/dt$、
$i=1 \ldots N$について加え合わせると、$\vec{f_{ij}}+\vec{f_{ji}}=0$なので、
$\frac{d^2}{dt^2} \sum_i{ m_i \vec{r_i}} =\frac{d}{dt} \sum_i{ m_i \vec{v_i}} =\sum_i{\vec{f_i}} $
が得られる。質点系の全質量$M= \sum_i{m_i} $と質点系に働く全外力$\vec{F}= \sum_i{\vec{f_i}} $を用いて書きなおすと、
$M\frac{d^2}{dt^2}(\sum_i{ m_i \vec{r_i}}/M)= \vec{F} $
質点系の重心$\vec{R}$を $\quad　\vec{R}=\sum_i{ m_i \vec{r_i}}/M $ で定義すると、
$M\frac{d^2}{dt^2}R= \vec{F} $
この式は、力$\vec{F}$をうける質量$M$の質点の運動方程式と同じであることに注目してください。
以下の解説も参考にしてください。

• ウィキペディア(質点系の力学)

剛体の運動とつり合い

剛体

剛体(Rigid body)とは、質点の集まりであって、どの質点の間の距離も変わらない（変形しない）、特殊な質点系のことを言う。固くて変形しにくい物質を理想化した概念である。

剛体の運動　

剛体は変形しない質点系なので、その運動は、重心の運動と、重心の周りの回転運動を合成したものになる。
重心の運動は前の節で説明したように、質点の運動と同じように扱える。
重心の周りの回転運動について解析するには、少し難しい数学が必要になる。

• ウィキペディア（剛体の力学）を参照のこと。

このテキストでは、固定軸の周りの回転と釣り合いの条件だけを学ぶ。
一般の回転運動については、大学で学ぶ。

固定軸のまわりの回転運動　

剛体が、剛体の中を通る固定軸の周りを回転する運動（車輪の回転など）を考える。応用も考え、回転軸は重心を通らなくてもよいように一般化しておく。
（注）なお、軸が動かないようにするためには軸受が必要である。工夫しても回転時に軸と軸受の間に摩擦が生じるが、これは無視出来ると仮定する。

回転運動の表示法　

固定軸まわりの剛体の運動はどのように表示したらよいだろうか。
・剛体の位置；固定軸の周りを回転するので、（軸上にない）剛体の一点につけた印は、軸を中心とする円周上を回転する。その回転角を指定すれば剛体の位置（姿勢）が分かる。
　議論を簡単にするため、 剛体につけた印から固定軸へ垂線をひき、その足を原点,固定軸をｚ座標とする３次元座標xyzを考える。
剛体の印はxy平面上の点になるので、x軸から反時計まわりの角度$\phi$が決まる。 これが剛体の位置を指定する一次元変数である。
ゆえに剛体の固定軸まわりの回転は一次元の運動である。
・この$\phi$の時間変化$\phi=\phi (t)$を明らかにすれば、剛体の回転運動は定まる。
これを時間で微分した$d\phi (t)/dt$を角速度、
さらにもう一回時間微分した$d^2\phi (t)/dt^2$を角加速度と呼ぶ。

回転力(トルク）　

一次元の直線運動においては、物体に力$F$を作用させて$x$だけ動かせば、力のなした仕事は、$W=Fx$である。
逆に物体に一定の力を加え$x$だけ動かす時の仕事$W$が分かれば、この力は
$F=W/x$
で求められる。
固定軸まわりの回転も一次元の運動でその変位は回転角度で表すので、これに倣って、
回転力（トルク）を、
$W/$回転した角度　
で、定義しよう。

図4.1のように剛体の任意の一点$P(x,y,z)$を考える。この点に力$\vec F=(F_{x},F_{y},F_{z})$が作用して、微小角$\Delta\theta$だけ回転したときの仕事$\Delta W$を計算し回転力を求めよう。この回転力をトルクとも呼ぶ。
$P$点から回転軸（ｚ軸）に垂線を下ろし、その足を$O$とする。
$\vec{OP}$の長さを$r$、x軸となす角を$theta$ラジアンと置く。$theta=\phi+$定数である。
剛体が微小角$\Delta\theta$回転して、点$P$が図の点$Q$に移動したとする。
すると角$\angle OPQ$はほぼ直角（=$\pi /2$）で$\vec{PQ}$の長さ$PQ$は、$PQ=r(\Delta\theta)$。

$\vec{PQ}$のｘ成分とｙ成分は、図4－1中に示したように、それぞれ、$-QR=-PQ\times y/r$、$PR=PQ\times x/r$。
$PQ=r(\Delta\theta)$を代入すると、
$\vec{PQ}_x=-y(\Delta\theta)$、$\vec{PQ}_y=x(\Delta\theta)$、$\vec{PQ}_z=0$
力$\vec{F}=(F_{x},F_{y},F_{z})$が、物体を$\vec{PQ}$だけ動かしたので、その仕事は $\Delta　W=\vec{F} \cdot \vec{PQ}$。この右辺を内積の性質を用いて座標成分で表すと、$F_{x}\times (-y)\Delta\theta+F_{y}\times x\Delta\theta+F_{z}\times 0$
$=(xF_{y}-yF_{x})\times\Delta\theta$ 。
ゆえに、力$\vec{F}$のｚ軸まわりの回転力は$\Delta W/\Delta\theta=xF_{y}-yF_{x}$

回転力（トルク）の特徴

(1)力$\vec{F}$のｚ軸まわりの回転力は,$\vec{F}_z$には関係しない。言いかえるとz軸を固定軸とする剛体にｚ軸の方向の力を加えても、ｚ軸の周りの回転は起こらない。
(2)剛体の１点$P(x,y,z)$に作用する力$\vec F$を、$\vec{OP}$方向の成分$\vec F_r$と、$P$の描く、z軸の点を中心とする回転円の（左回りの）接線方向の力$\vec F_t$に分解する。
この時、
・力$\vec F$のｚ軸まわりの回転力は、$\vec F_t$のｚ軸まわりの回転力に等しい。
数式で表すと、$xF_{y}-yF_{x}=x(F_t)_{y}-y(F_t)_{x}$
・力$\vec F_r$のｚ軸まわりの回転力は、零である。すなわち、動径方向の力は回転に寄与しない。
これらはいずれも直観と合致する。

他の軸の周りの回転力

力$\vec{F}$のｘ軸、y軸まわりの回転力も同様に計算できる。結果は、
x軸まわり；$yF_{z}-zF_{y}=y(F_t)_{z}-z(F_t)_{y}$
y軸まわり；$zF_{x}-xF_{z}=z(F_t)_{x}-x(F_t)_{z}$

トルクとベクトル積

以上の結果は、ベクトル積（クロス積ともいう）を用いると簡潔、正確に表現でき、計算も容易になる。

• ウィキペディア（クロス積）

トルクのベクトル積表示

位置ベクトル$\vec r=(x,y,z)$の剛体の点$P$に作用する力$\vec F$の原点まわりの力のモーメントを、
$\vec N=($x軸まわりのトルク、y軸まわりのトルク、z軸まわりのトルク$)$で定義する。
数式で書くと、
$\vec N=(yF_{z}-zF_{y},zF_{x}-xF_{z},xF_{y}-yF_{x})$,
ベクトル積を用いると、$\quad$ $\vec N=\vec r \times \vec F$

ベクトル積の性質

$ \vec{a}, \vec{b}, \vec{c}$を2次元あるいは3次元ベクトルとする。
性質０． $ \qquad \vec{a} $ を, $\vec{c} $と垂直な成分$ \vec{a_\perp}$ と,平行な成分$\vec{a_\parallel}$ の和に分解するとき、
$\qquad \vec{a} \times \vec{c}= (\vec{a_\perp}+\vec{a_\parallel})\times \vec{c}=\vec{a_\perp} \times \vec{c}$
性質１．$ \qquad \vec{a} \times \vec{b}= -\vec{b} \times \vec{a}$
性質２．$ \qquad (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$　
性質３．$\qquad (e_1,e_2,e_3)$ をそれぞれ長さ１で互いに直交し、右手系をなす、ベクトルとする。この時、
$ \qquad e_1 \times e_2 = e_3, e_2 \times e_3 = e_1, e_3 \times e_1 = e_2$
性質０の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質１の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質２の証明；①　$ \vec{a}, \vec{b}$　と$ \vec{c}$ が直交する場合。
$\vec{a} \times \vec{c} $は、$ \vec{a} $を、$\vec{c} $と垂直な平面H内で90度回転（$(\vec{a},\vec{c},\vec{a} \times \vec{c})$が右手系をなすように）して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$\vec{b} \times \vec{c} $は、同じ平面H内で$ \vec{b} $を、同じ方向に、90度回転して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}$も、同じ平面内を同じ向きに90度回転し、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。従って$ \vec{a}$と$\vec{b}$から作られる平行四辺形と$\vec{a}\times \vec{c} $ と$\vec{b}\times \vec{c} $からつくられる平行四辺形は相似となり、$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}$は後者の対角線となる。対角線ベクトルは２辺のベクトル和に等しいので、$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$が示せた。　
②　一般の場合。
性質０より、$\perp$ を$\vec{c}$と垂直な成分を表すとすると、 $ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= (\vec{a}+ \vec{b})_\perp \times \vec{c} \qquad \qquad \qquad $(1)
$(\vec{a}+ \vec{b})_\perp =\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp$なので、(1)式は、
$ = (\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp) \times \vec{c}$,①より、
$ = \vec{a}_\perp \times \vec{c}+\vec{b}_\perp\times \vec{c}=\vec{a} \times \vec{c}+\vec{b} \vec{c}$ $ \qquad $ 証明終わり。
性質３の証明；ベクトル積と$(e_1,e_2,e_3)$ の定義から、明らかである。　

回転運動の方程式　

てこの原理と力のモーメント

てこの原理については、

• ウィキペディア（てこの原理）を参照のこと。

何故てこの原理が成り立つかを考えてみよう。 力のモーメントについては、

• ウィキペディア（力のモーメント）を参照のこと。

なお、これを理解するには、ベクトル積（クロス積）の知識が必要です。

ベクトル積またはクロス積

• ウィキペディア（クロス積）

これを用いると、位置ベクトル$\vec{r}$を作用点とする力$\vec{F}$の、原点のまわりのモーメント$\vec{N}$は
$ \vec{N}=\vec{r} \times \vec{F}$

ベクトル積の性質

$ \vec{a}, \vec{b}, \vec{c}$を2次元あるいは3次元ベクトルとする。
性質０． $ \qquad \vec{a} $ を, $\vec{c} $と垂直な成分$ \vec{a_\perp}$ と,平行な成分$\vec{a_\parallel}$ の和に分解するとき、
$\qquad \vec{a} \times \vec{c}= (\vec{a_\perp}+\vec{a_\parallel})\times \vec{c}=\vec{a_\perp} \times \vec{c}$
性質１．$ \qquad \vec{a} \times \vec{b}= -\vec{b} \times \vec{a}$
性質２．$ \qquad (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$　
性質３．$\qquad (e_1,e_2,e_3)$ をそれぞれ長さ１で互いに直交し、右手系をなす、ベクトルとする。この時、
$ \qquad e_1 \times e_2 = e_3, e_2 \times e_3 = e_1, e_3 \times e_1 = e_2$
性質０の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質１の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質２の証明；①　$ \vec{a}, \vec{b}$　と$ \vec{c}$ が直交する場合。
$\vec{a} \times \vec{c} $は、$ \vec{a} $を、$\vec{c} $と垂直な平面H内で90度回転（$(\vec{a},\vec{c},\vec{a} \times \vec{c})$が右手系をなすように）して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$\vec{b} \times \vec{c} $は、同じ平面H内で$ \vec{b} $を、同じ方向に、90度回転して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}$も、同じ平面内を同じ向きに90度回転し、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。従って$ \vec{a}$と$\vec{b}$から作られる平行四辺形と$\vec{a}\times \vec{c} $ と$\vec{b}\times \vec{c} $からつくられる平行四辺形は相似となり、$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$が示せる。　
②　一般の場合。
性質０より、$\perp$ を$\vec{c}$と垂直な成分を表すとすると、 $ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= (\vec{a}+ \vec{b})_\perp \times \vec{c} \qquad \qquad \qquad $(1)
$(\vec{a}+ \vec{b})_\perp =\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp$なので、(1)式は、
$ = (\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp) \times \vec{c}$,①より、
$ = \vec{a}_\perp \times \vec{c}+\vec{b}_\perp\times \vec{c}=\vec{a} \times \vec{c}+\vec{b} \vec{c}$ $ \qquad $ 証明終わり。
性質３の証明；ベクトル積と$(e_1,e_2,e_3)$ の定義から、明らかである。　

回転運動の方程式　

てこの原理と力のモーメント

てこの原理については、

• ウィキペディア（てこの原理）を参照のこと。

何故てこの原理が成り立つかを考えてみよう。 力のモーメントについては、

• ウィキペディア（力のモーメント）を参照のこと。

なお、これを理解するには、ベクトル積（クロス積）の知識が必要です。

ベクトル積またはクロス積

• ウィキペディア（クロス積）

これを用いると、位置ベクトル$\vec{r}$を作用点とする力$\vec{F}$の、原点のまわりのモーメント$\vec{N}$は
$ \vec{N}=\vec{r} \times \vec{F}$

ベクトル積の性質

$ \vec{a}, \vec{b}, \vec{c}$を2次元あるいは3次元ベクトルとする。
性質０． $ \qquad \vec{a} $ を, $\vec{c} $と垂直な成分$ \vec{a_\perp}$ と,平行な成分$\vec{a_\parallel}$ の和に分解するとき、
$\qquad \vec{a} \times \vec{c}= (\vec{a_\perp}+\vec{a_\parallel})\times \vec{c}=\vec{a_\perp} \times \vec{c}$
性質１．$ \qquad \vec{a} \times \vec{b}= -\vec{b} \times \vec{a}$
性質２．$ \qquad (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$　
性質３．$\qquad (e_1,e_2,e_3)$ をそれぞれ長さ１で互いに直交し、右手系をなす、ベクトルとする。この時、
$ \qquad e_1 \times e_2 = e_3, e_2 \times e_3 = e_1, e_3 \times e_1 = e_2$
性質０の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質１の証明；ベクトル積の定義から明らかである。
性質２の証明；①　$ \vec{a}, \vec{b}$　と$ \vec{c}$ が直交する場合。
$\vec{a} \times \vec{c} $は、$ \vec{a} $を、$\vec{c} $と垂直な平面H内で90度回転（$(\vec{a},\vec{c},\vec{a} \times \vec{c})$が右手系をなすように）して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$\vec{b} \times \vec{c} $は、同じ平面H内で$ \vec{b} $を、同じ方向に、90度回転して、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}$も、同じ平面内を同じ向きに90度回転し、長さを$|\vec{c}|$倍したベクトル。従って$ \vec{a}$と$\vec{b}$から作られる平行四辺形と$\vec{a}\times \vec{c} $ と$\vec{b}\times \vec{c} $からつくられる平行四辺形は相似となり、$ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= \vec{a} \times \vec{c} + \vec{b} \times \vec{c}$が示せる。　
②　一般の場合。
性質０より、$\perp$ を$\vec{c}$と垂直な成分を表すとすると、 $ (\vec{a}+ \vec{b})\times \vec{c}= (\vec{a}+ \vec{b})_\perp \times \vec{c} \qquad \qquad \qquad $(1)
$(\vec{a}+ \vec{b})_\perp =\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp$なので、(1)式は、
$ = (\vec{a}_\perp +\vec{b}_\perp) \times \vec{c}$,①より、
$ = \vec{a}_\perp \times \vec{c}+\vec{b}_\perp\times \vec{c}=\vec{a} \times \vec{c}+\vec{b} \vec{c}$ $ \qquad $ 証明終わり。
性質３の証明；ベクトル積と$(e_1,e_2,e_3)$ の定義から、明らかである。　

力の作用線と作用線の定理

力の作用線とは、力の作用点を通り、力の方向と重なる直線のこと。 剛体の場合、作用線に沿って力の作用点を移動しても、力の作用は変わらない。何故かは、考えてみましょう。

• ウィキペディア（作用線の定理）

剛体のつり合い

いくつかの力が作用し、剛体が静止したままであるか、重心が等速直線運動を続け、重心の周りの回転が無い場合に、剛体（に作用している力）は釣り合っているという。

気体や液体の圧力と浮力

CAIテスト

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