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東大塾長の山田です。 このページでは、 円運動 について「位置→速度→加速度」の順で詳しく説明したうえで、運動方程式をいかに立てるか、遠心力はどのように使えば良いか、などについて詳しくまとめてあります 。 1. 円運動について 円運動 とは、 物体の運動の向きとは垂直な方向に働く力によって引き起こされる 運動のこと です。 特に、円周上を運動する 物体の速度が一定 であるときは 等速円運動 と呼ばれます。 等速円運動の場合、軌道は円となります。 特に、 中心力 が働くことによって引き起こされることが多いです。 中心力とは? 中心力:その大きさが、原点と物体の距離\(r\)にのみ依存し、方向が減点と物体を結ぶ線に沿っている運動のこと 例として万有引力やクーロン力が考えられますね! 向心力 ■わかりやすい高校物理の部屋■. 万有引力:\( F(r)=G\displaystyle \frac{Mm}{r^2} \propto \displaystyle \frac{1}{r^2} \) クーロン力:\( F(r)=k\displaystyle \frac{q_1q_2}{r^2} \propto \displaystyle \frac{1}{r^2} \) 2. 円運動の記述 それでは実際に円運動はどのように表すことができるのか、順を追って確認していきましょう! 途中で新しい物理量が出てきますがそれについては、その都度しっかりと説明していきます。 2. 1 位置 まず円運動している物体の位置はどのように記述できるでしょうか? いままでの、直線・放物運動では \(xy\)座標(直行座標)を定めて運動を記述してきた ことが多かったと思います。 例えば半径\(r\)の等速円運動でも同様に考えようと思うと下図のようになります。 このように未知量を\(x\)、\(y\)を未知量とすると、 軌道が円であることを表す条件が必要になります。(\(x^2+y^2=r^2\)) これだと運動の記述を行う際に式が複雑になってしまい、 円運動を記述するのに \(x\) と \(y\) という 二つの未知量を用いることは適切でない ということが分かります。 つまり未知量を一つにしたいわけです。そのためにはどのようにすればよいでしょうか? 結論としては 未知量として中心角 \(\theta\) を用いることが多いです。 つまり 直行座標 ( \(x\), \(y\)) ではなく、極座標 ( \(r\), \(\theta\)) を用いるということ です!
以上より, \( \boldsymbol{a} \) を動径方向( \( \boldsymbol{r} \) 方向)のベクトルと, それに垂直な角度方向( \( \boldsymbol{\theta} \) 方向)のベクトルに分離したのが \( \boldsymbol{a}_{r} \) と \( \boldsymbol{a}_{\theta} \) の正体である. さて, 以上で知り得た情報を運動方程式 \[ m \boldsymbol{a} = \boldsymbol{F}\] に代入しよう. ただし, 合力 \( \boldsymbol{F} \) についても 原点 \( O \) から円軌道上の点 \( P \) へ向かう方向 — 位置ベクトルと同じ方向(動径方向) — を \( \boldsymbol{F}_{r} \), それ以外(角度方向)を \( \boldsymbol{F}_{\theta} \) として分解しておこう. 等速円運動：運動方程式. \[ \boldsymbol{F} = \boldsymbol{F}_{r} + \boldsymbol{F}_{\theta} \quad. \] すると, m &\boldsymbol{a} = \boldsymbol{F}_{r} + \boldsymbol{F}_{\theta} \\ \to & \ m \left( \boldsymbol{a}_{r} + \boldsymbol{a}_{\theta} \right) \boldsymbol{F}_{r}+ \boldsymbol{F}_{\theta} \\ \to & \ \left\{ m \boldsymbol{a}_{r} &= \boldsymbol{F}_{r} \\ m \boldsymbol{a}_{\theta} &= \boldsymbol{F}_{\theta} \right. と, 運動方程式を動径方向と角度方向とに分離することができる. このうち, 角度方向の運動方程式 \[ m \boldsymbol{a}_{\theta} = \boldsymbol{F}_{\theta}\] というのは, 円運動している物体のエネルギー保存則などで用いられるのだが, それは包み隠されてしまっている. この運動方程式の使い方は 円運動 を参照して欲しい.
原点 O を中心として,半径 r の円周上を角速度 ω > 0 (速さ v = r ω )で等速円運動する質量 m の質点の位置 と加速度 a の関係は a = − ω 2 r である (*) ので,この質点の運動方程式は m a = − m ω 2 r − c r , c = m ω 2 - - - (1) である.よって, 等速円運動する質点には,比例定数 c ( > 0) で位置 に比例した, とは逆向きの外力 F = − c r が作用している.この力は,一定の大きさ F = | F | | − m ω 2 = m r m v 2 をもち,常に円の中心を向いているので 向心力 である(参照: 中心力 ). ベクトル は一般に3次元空間のベクトルである.しかしながら,質点の原点 O のまわりの力のモーメントが N = r × F = r × ( − c r) = − c r × r) = 0 であるため, 回転運動の法則 は d L d t = N = 0 を満たし,原点 O のまわりの角運動量 L が保存する.よって,回転軸の方向(角運動量 の方向)は時間に依らず常に一定の方向を向いており,円運動の回転面は固定されている.この回転面を x y 平面にとれば,ベクトル の z 成分は常にゼロなので,2次元の平面ベクトルと考えることができる. 加速度 a = d 2 r / d t 2 の表記を用いると,等速円運動の運動方程式は d 2 r d t 2 = − c r - - - (2) と表される.成分ごとに書くと d 2 x = − c x d 2 y = − c y - - - (3) であり,各々独立した 定数係数の2階同次線形微分方程式 である. x 成分について,両辺を で割り, c / m を用いて整理すると, + - - - (4) が得られる.この 微分方程式を解く と,その一般解が x = A x cos ω t + α x) ( A x, α x : 任意定数) - - - (5) のように求まる.同様に, 成分について一般解が y = A y cos ω t + α y) A y, α y - - - (6) のように求まる.これらの任意定数は,半径 の等速円運動であることを考えると,初期位相を θ 0 として, A x A y = r − π 2 - - - (7) となり, x ( t) r cos ( ω t + θ 0) y ( t) r sin ( - - - (8) が得られる.このことから,運動方程式(2)には等速円運動ではない解も存在することがわかる(等速円運動は式(2)を満たす解の特別な場合である).
そうすることで、\((x, y)=(rcos\theta, rsin\theta)\) と表すことができ、軌道が円である条件 (\(x^2+y^2=r^2\)) にこれを代入することで自動的に満たされることもわかります。 以下では円運動を記述する際の変数としては、中心角 \(\theta\) を用いることにします。 2. 1 直行座標から極座標にする意味(運動方程式への道筋) 少し脱線するように思えますが、 円運動の運動方程式を立てるときの方針について考えるうえでとても重要 なので、ぜひ読んでください! 円運動を記述する際は極座標(\(r\), \(\theta\))を用いることはわかったと思いますが、 こうすることで何が分かるでしょうか?
【授業概要】 ・テーマ 投射体の運動,抵抗力を受ける物体の運動,惑星の運動,物体系の等加速度運動などの問題を解くことにより運動方程式の立て方とその解法を上達させます。相対運動と慣性力,角運動量保存の法則,剛体の平面運動解析について学習します。次に,壁に立て掛けられた梯子の力学解析やスライダクランク機構についての運動解析および構成部品間の力の伝達等について学習します。 質点,質点系および剛体の運動と力学の基本法則の理解を確実にし,実際の運動機構における構成部品の運動と力学に関する実践力を訓練します。 ・到達目標 目標1:力学に関する基本法則を理解し、運動の解析に応用できること。 目標2:身近に存在する質点または質点系の平面運動の運動方程式を立てて解析できること。 目標3:並進および回転している剛体の運動に対して運動方程式を立てて解析できること。 ・キーワード 運動の法則,静力学,質点系の力学,剛体の力学 【科目の位置付け】 本講義は,制御工学や機構学などのシステム設計工学関連の科目の学習をスムーズに展開するための,質点,質点系および剛体の運動および力学解析の実践力の向上を目指しています。機械システム工学科の学習・教育到達目標 (A)工学の基礎力(微積分関連科目)[0. 5],(G)機械工学の基礎力[0. 5]を養成する科目である.
つまり, \[ \boldsymbol{a} = \boldsymbol{a}_{r} + \boldsymbol{a}_{\theta}\] とする. このように加速度 \( \boldsymbol{a} \) をわざわざ \( \boldsymbol{a}_{r} \), \( \boldsymbol{a}_{\theta} \) にわけた理由について述べる. まず \( \boldsymbol{a}_{r} \) というのは物体の位置 \( \boldsymbol{r} \) と次のような関係に在ることに気付く. \boldsymbol{r} &= \left( r \cos{\theta}, r \sin{\theta} \right) \\ \boldsymbol{a}_{r} &= \left( -r\omega^2 \cos{\theta}, -r\omega^2 \sin{\theta} \right) \\ &= – \omega^2 \left( r \cos{\theta}, r \sin{\theta} \right) \\ &= – \omega^2 \boldsymbol{r} これは, \( \boldsymbol{a}_{r} \) というのは位置ベクトルとは真逆の方向を向いていて, その大きさは \( \omega^2 \) 倍されたもの ということである. つづいて \( \boldsymbol{a}_{\theta} \) について考えよう. \( \boldsymbol{a}_{\theta} \) と位置 \( \boldsymbol{r} \) の関係は \boldsymbol{a}_{\theta} \cdot \boldsymbol{r} &= \left( – r \frac{d\omega}{dt}\sin{\theta}, r \frac{d\omega}{dt}\cos{\theta} \right) \cdot \left( r \cos{\theta}, r \sin{\theta} \right) \\ &=- r^2 \frac{d\omega}{dt}\sin{\theta}\cos{\theta} + r^2 \frac{d\omega}{dt}\sin{\theta}\cos{\theta} \\ &=0 すなわち, \( \boldsymbol{a}_\theta \) と \( \boldsymbol{r} \) は垂直関係 となっている.