よつ葉カイロプラクティック – 一般社団法人 日本カイロプラクターズ協会 Jac認定オフィス | 円運動の運動方程式 | 高校物理の備忘録
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さて, 動径方向の運動方程式 はさらに式変形を推し進めると, \to \ – m \boldsymbol{r} \omega^2 &= \boldsymbol{F}_{r} \\ \to \ m \boldsymbol{r} \omega^2 &=- \boldsymbol{F}_{r} \\ ここで, 右辺の \( – \boldsymbol{F}_{r} \) は \( \boldsymbol{r} \) 方向とは逆方向の力, すなわち向心力 \( \boldsymbol{F}_{\text{向心力}} \) のことであり, \[ \boldsymbol{F}_{\text{向心力}} =- \boldsymbol{F}_{r}\] を用いて, 円運動の運動方程式, \[ m \boldsymbol{r} \omega^2 = \boldsymbol{F}_{\text{向心力}}\] が得られた. この右辺の力は 向心方向を正としている ことを再度注意しておく. これが教科書で登場している等速円運動の項目で登場している \[ m r \omega^2 = F_{\text{向心力}}\] の正体である. また, 速さ, 円軌道半径, 角周波数について成り立つ式 \[ v = r \omega \] をつかえば, \[ m \frac{v^2}{r} = F_{\text{向心力}}\] となる. 向心力 ■わかりやすい高校物理の部屋■. このように, 角振動数が一定でないような円運動 であっても, 高校物理の教科書に登場している(動径方向に対する)円運動の方程式はその形が変わらない のである. この事実はとてもありがたく, 重力が作用している物体が円筒面内を回るときなどに皆さんが円運動の方程式を書くときにはこのようなことが暗黙のうちに使われていた. しかし, 動径方向の運動方程式の形というのが角振動数が時間の関数かどうかによらないことは, ご覧のとおりそんなに自明なことではない. こういったことをきちんと議論できるのは微分・積分といった数学の恩恵であろう.
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【学習の方法】 ・受講のあり方 ・受講のあり方 講義における板書をノートに筆記する。テキスト,プリント等を参照しながら講義の骨子をまとめること。理解が進まない点をチェックしておき質問すること。止むを得ず欠席した場合は,友達からノートを借りて補充すること。 ・予習のあり方 前回の講義に関する質問事項をまとめておくこと。テキスト,プリント等を通読すること。予習項目を本シラバスに示してあるので,毎回予習して授業に臨むこと.
等速円運動：位置・速度・加速度
これが円軌道という条件を与えられた物体の位置ベクトルである. 次に, 物体が円軌道上を運動する場合の速度を求めよう. 以下で用いる物理と数学の絡みとしては, 位置を時間微分することで速度が, 速度を自分微分することで加速度が得られる, ということを理解しておいて欲しい. ( 位置・速度・加速度と微分 参照) 物体の位置 \( \boldsymbol{r} \) を微分することで, 物体の速度 \( \boldsymbol{v} \) が得られることを使えば, \boldsymbol{v} &= \frac{d}{dt} \boldsymbol{r} \\ & = \left( \frac{d}{dt} x, \frac{d}{dt} y \right) \\ & = \left( r \frac{d}{dt} \cos{\theta}, r \frac{d}{dt} \sin{\theta} \right) \\ & = \left( – r \frac{d \theta}{dt} \sin{\theta}, r \frac{d \theta}{dt} \cos{\theta} \right) これが円軌道上での物体の速度の式である. ここからが角振動数一定の場合と話が変わってくるところである. まずは記号 \( \omega \) を次のように定義しておこう. 等速円運動：運動方程式. \[ \omega \mathrel{\mathop:}= \frac{d\theta}{dt}\] この \( \omega \) の大きさは 角振動数 ( 角周波数)といわれるものである. いま, この \( \omega \) について特に条件を与えなければ, \( \omega \) も一般には時間の関数 であり, \[ \omega = \omega(t)\] であることに注意して欲しい. \( \omega \) を用いて円運動している物体の速度を書き下すと, \[ \boldsymbol{v} = \left( – r \omega \sin{\theta}, r \omega \cos{\theta} \right)\] である. さて, 円運動の運動方程式を知るために, 次は加速度 \( \boldsymbol{a} \) を求めることになるが, \( r \) は時間によらず一定で, \( \omega \) および \( \theta \) は時間の関数である ことに注意すると, \boldsymbol{a} &= \frac{d}{dt} \boldsymbol{v} \\ &= \left( – r \frac{d}{dt} \left\{ \omega \sin{\theta} \right\}, r \frac{d}{dt} \left\{ \omega \cos{\theta} \right\} \right) \\ &= \left( \vphantom{\frac{b}{a}} \right.
等速円運動：運動方程式
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! 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? 等速円運動：位置・速度・加速度. 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!
円運動の運動方程式の指針 運動方程式はそれぞれ網の目に沿ってたてればよい ⇒円運動の方程式は 「接線方向」と「中心方向」 についてたてれば良い! これで円運動の運動方程式をどのように立てれば良いかの指針が立ちましたね。 それでは話を戻して「位置」の次の話、「速度」へ入りましょう。 2.
上の式はこれからの話でよく出てくるので、しっかりと頭に入れておきましょう。 2. 3 加速度 最後に円運動における 加速度 について考えてみましょう。運動方程式を立てるうえでとても重要です。 速度の時の同じように半径\(r\)の円周上を運動している物体について考えてみます。 時刻 \(t\)\ から \(t+\Delta t\) の間に、速度が \(v\) から \(v+\Delta t\) に変化し、中心角 \(\Delta\theta\) だけ変化したとすると、加速度 \(\vec{a}\) は以下のように表すことができます。 \( \displaystyle \vec{a} = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} \cdots ① \) これはどう式変形できるでしょうか?