物理学基礎及び演習 電気電子工学科　１年次E2クラス 鮫島 俊之　蓮見 真彦

members 鮫島俊之（さめしまとしゆき） 名古屋大学・静岡大学・工学博士・ソニー・Max Plank Institute・東京農工大学・教授 講義担当 蓮見真彦（はすみまさひこ） 東京大学・理学博士・理化学研究所・東京農工大学・ 学習支援室長 演習担当

members TA 電気電子工学科・鮫島研究室 Ｍ1 生方詢也 Ｍ1太田康介 Ｍ1小川喜洋 Ｍ1菅原 崇 B4 小堀天 B4 御子柴亮平 Ｍ1菅原　崇 B4 小堀天 B4 御子柴亮平 B4 廣川慶人 B4 荷村　毅

Introduction １．教科書 タイトル：新・基礎 力学 (ライブラリ新・基礎物理学) 出版社：サイエンス社 １．教科書　タイトル：新・基礎 力学 (ライブラリ新・基礎物理学) 　　　　　　　　出版社：サイエンス社 　　　　　　　　ISBN：978-4781910970 ２．講義ノートはホームページからダウンロード 　１）http://www.tuat.ac.jp/~sameken/ 　２）講義ノートのメニューバーをクリック 　３）2016年 物理学及び演習 (1年次後期) のコーナーの物理 (ppt)をクリック

Introduction ３．演習と宿題は学習支援室ホームページからダウンロード 　１） http://www.tuat.ac.jp/~gakusyu/ 　２）演習問題　及び　宿題　をクリック

Introduction ４．必修科目 ５．成績評価： 絶対評価 S：100〜90，A：89〜80，B：79〜70，C：69〜60， ５．成績評価：　絶対評価 S：100〜90，A：89〜80，B：79〜70，C：69〜60， D：59〜0 Ｓ〜Ｃは単位認定される。E1クラスと同一評価、 演習30点 宿題20点 中間試験＋期末試験　50点

Introduction ６．物理授業用ノートを用意すること ７．講義・演習・宿題の流れ 講義：毎回所定のテーマの解説をする。3章から予定 演習：前回答案返却→前回問題解説→今回問題配布・実施→今回答案回収 宿題：前回答案提出（前日水曜日13時までに学習支援室） →演習後今回問題配布

Introduction 8．P.60、４．２から始めよう

1. 運動の表し方（１） １．１ 位置と座標系 １．２ 二次元極座標と孤度法 １．３ 位置ベクトルと変位ベクトル １．１　位置と座標系 １．２　二次元極座標と孤度法 １．３　位置ベクトルと変位ベクトル １．４　ベクトルの基本的性質

１．１ 位置と座標系 質量mの質点Ｐの位置ｒは三次元直交座標系（デカルト座標系）を用いて表すことができる。 １．１　位置と座標系 質量mの質点Ｐの位置ｒは三次元直交座標系（デカルト座標系）を用いて表すことができる。 もし位置に時間変化がある場合、時間の関数を用いて、 と書く。二次元表現で表現できる場合 もある。 一次元表現もある X Z Y m P

１．１　位置と座標系 問：農工大小金井キャンパスは緯度35.699o,経度139.158oにある。農工大小金井キャンパスの地球中心からの位置を直交座標表示してみよう。地球は真球で半径を6378.137kmとする。

１．２ 二次元極座標と孤度法 PからＸ－Ｙ平面に下ろした垂線の足をＱとする。 OXとOQが挟む角をθ、OZとOPが挟む角をφ、 １．２　二次元極座標と孤度法 PからＸ－Ｙ平面に下ろした垂線の足をＱとする。 OXとOQが挟む角をθ、OZとOPが挟む角をφ、 OPの長さをrとすると、 であるから、 となり、三次元直交座標の成分は 　を用いて表される。 O X Z Y m P θ Q φ

１．２ 二次元極座標と孤度法 を極座標という。 2次元表現もある。 φが常に90°なら 物体はＸ－Ｙ平面内にあり、 である。 １．２　二次元極座標と孤度法 　　　　　　　　を極座標という。 2次元表現もある。 φが常に90°なら 物体はＸ－Ｙ平面内にあり、 　　　　　　　である。 農工大小金井キャンパスは緯度35.699o,経度139.158oにあるから、極座標なら農工大小金井キャンパスの地球中心からの位置は、 となる。

１．２　二次元極座標と孤度法 Ｘ－Ｙ平面内、半径aの円の位置の極座標表現は、 　　　　　　　と書くことができる。

１．３ 位置ベクトルと変位ベクトル 位置Ｐは基準点からの成分表示で表される。 数学のベクトルの性質を持っている。 大きさがあり、向きがある。 １．３　位置ベクトルと変位ベクトル 位置Ｐは基準点からの成分表示で表される。 数学のベクトルの性質を持っている。 大きさがあり、向きがある。 位置Ｐ点が少し動いてＰ’になったとしよう。 足し算可能（もちろん引き算も可能）

１．３ 位置ベクトルと変位ベクトル のようなものを変位ベクトルと呼ぶ。 大きさが小さければ、 と書いたりする。 １．３　位置ベクトルと変位ベクトル のようなものを変位ベクトルと呼ぶ。 大きさが小さければ、 と書いたりする。 問　Ｘ－Ｙ平面内、半径rの円の位置がθ＝0からθまで動く時に描く軌跡の円弧の長さを求めよ。 θ＝0からΔθまで少し動いたとき、ベクトルは

１．３　位置ベクトルと変位ベクトル 変位ベクトルは 大きさは、 三角関数には以下の性質がある。

１．３　位置ベクトルと変位ベクトル Δθは小さいので、2次までの近似とすると、 である。よって円弧の長さは、 円周の長さは、

１．４ ベクトルの基本的性質 １．ベクトルは成分表示される量 ２．ベクトルは加算的である。 ３．掛け算は２種類ある １．４　ベクトルの基本的性質 １．ベクトルは成分表示される量 ２．ベクトルは加算的である。 ３．掛け算は２種類ある １）内積(inner product, scalar product) 　 ベクトル・ベクトル＝スカラー

１．４ ベクトルの基本的性質 ２）外積(outer product, vector product) ベクトルｘベクトル＝ベクトル １．４　ベクトルの基本的性質 ２）外積(outer product, vector product)　　 　　　　　ベクトルｘベクトル＝ベクトル 外積のXYZ成分はYZ→ZX→XYの順番に並べて 行けば簡単に求められる。

１．４　ベクトルの基本的性質 位置ベクトルは： X Z Y m P 位置の時間微分は速度である。 速度の時間微分は加速度である。

１．４　ベクトルの基本的性質 位置ベクトル 速度ベクトル 加速度ベクトル

数学の勉強：指数関数 a, b はどんな数でも成り立つ。 定義： aは実数 Euler's formula 指数関数を使って三角関数trigonometric functionを制覇しよう。 　　　　　　　　　　　　である。Multiplication rule 　　　　　　　　　　　　である。Power　rule 　　　　　　　　　　　　である。ordinary differential equation a, b はどんな数でも成り立つ。 定義： aは実数 Euler's formula

数学の勉強：指数関数 定義： aは実数 と置く 上下を見比べれば

数学の勉強：指数関数 である。　　　定義を使って、

２．運動の表し方（２） ２．１　速さ ２．２　速度 ２．３　加速度 ２．４　等加速度運動 ２．５　等速円運動

２．速さ、速度、加速度 位置ベクトルは： X Z Y m P 位置の時間微分は速度である。 速度の時間微分は加速度である。

２．速さ、速度、加速度 位置ベクトル 速度ベクトル 加速度ベクトル

２．速さ、速度、加速度 位置 速さ 加速度の大きさ

2.4. 等加速度運動 位置ベクトル の軌跡をとる物体の速度と加速度ベクトルを求めよ。 物体の運動を説明せよ。 速度ベクトル 加速度ベクトル 位置ベクトル　 の軌跡をとる物体の速度と加速度ベクトルを求めよ。 物体の運動を説明せよ。 速度ベクトル 加速度ベクトル ・時刻ゼロでの速度ベクトル、加速度ベクトルの向きを求めよ。 ・十分時間が経ったときの位置、速度、加速度ベクトルの向きを求めよ。

2.5. 等速円運動 問 半径rの円周上を角速度ωで運動する質量mの 物体の座標ベクトルの成分を と書くとき、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　と書くとき、 物体の線速度ベクトルの成分を求めよ。 物体の加速度ベクトルの成分を求めよ。 と複素指数表示するとき、物体の線速度を求めよ。 物体の加速度を求めよ。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2.5. 等速円運動

2.5. 等速円運動 周期Ｔ

３．　力と運動 ３．１　ニュートンの第一法則 ３．２　ニュートンの第二法則 ３．３　ニュートンの第三法則 ３．４　いろいろな力

３． 力と運動 問： +x方向に磁束密度Bで磁場が働いている。また、荷電粒子が+y方向に速度vで運動している。 ３．　力と運動 問：　+x方向に磁束密度Bで磁場が働いている。また、荷電粒子が+y方向に速度vで運動している。 (1)磁束密度B,粒子の速度vをベクトル表示せよ。 (2)磁束密度　の中を速度　で運動する荷電粒子には 　　　　　　　　　　　　　　　　（１） という力が働く。qは帯電粒子の電荷量である。この式（１）を用いて、荷電子が受ける力の大きさと、その方向を求めよ。

３． 力と運動 問 (1) (2) ∴粒子は-Z方向にvBの大きさの力を受ける。 ３．　力と運動 問 (1) (2) ∴粒子は-Z方向にvBの大きさの力を受ける。 このように、外積は ３次元ベクトルを考えた時に初めてでてくる不思議な掛け算である。

３． 運動の３法則 １．慣性の法則 the principle of inertia ２．運動の法則 ３．作用反作用の法則（運動量保存則） ３．　運動の３法則 １．慣性の法則 ２．運動の法則 ３．作用反作用の法則（運動量保存則） Law of action and reaction (Principle of Momentum Conservation) 問．上記3法則について皆さんの体験を述べよ。 the principle of inertia Equation of motion

３． 運動の３法則 ちから がある。これはベクトルである。 ベクトルだからこう考えることができる。 のとき である。 ３．　運動の３法則 ちから　　　がある。これはベクトルである。 ベクトルだからこう考えることができる。 　　　　　　　　のとき　　　　　　　　　である。 力のつり合い状態という。 このとき運動の形態は維持される。

３． 運動の３法則 N 床に質量mの箱が静止している。 箱には重力Fg=mgが働いている。 箱が動かないとき、箱が床に置か ３．　運動の３法則 Fg N 床に質量mの箱が静止している。 箱には重力Fg=mgが働いている。 箱が動かないとき、箱が床に置か れた事により発生する垂直抗力Ｎ と重力が釣り合っていると考える。 静止形態は維持される。 身の回りに沢山の類似例がある。 実は目に見えないが大気もこんな状態である。 気流を考えなければ空気が地表にのっかっており、 重力と垂直抗力が釣り合っている。

３． 運動の３法則 TA1 10339.29 問 大気1気圧はパスカル表示で 101325 Pa(=N/m2)である。 大気 ３．　運動の３法則 10339.29 問 大気1気圧はパスカル表示で 101325 Pa(=N/m2)である。 重力加速度gは9.806 m/s2である。 地表に乗っかっている大気の 単位１ｍ2あたりの質量を求めよ。 大気 地表 TA1

３． 運動の３法則 床に静止している質量mの箱を 図のように水平に押す。 箱が動かないとき、 力Ｆに抗して摩擦力Ｒが働き ３．　運動の３法則 床に静止している質量mの箱を 図のように水平に押す。 箱が動かないとき、 力Ｆに抗して摩擦力Ｒが働き 二つの力は釣り合っている。 摩擦力は箱が床に置かれた事により発生する垂直抗力Ｎを使って、 と表す。

３． 運動の３法則 N 疑問：垂直抗力は上向きだった。 しかしＲは横向き（力の向きの反対 向き）だった。上向きの力から ３．　運動の３法則 Fg N 疑問：垂直抗力は上向きだった。 しかしＲは横向き（力の向きの反対 向き）だった。上向きの力から なぜ横向きの力が生じるのだろう？ 　　　　　は明らかに大きさに限界がある。 よって非常に大きな力を加えれば、 　　　　　　　　　　　　　　となって物体は動き始める。

３．　運動の３法則 力は運動量の時間微分　　　　　　　と表す。 だから力を時間積分すると運動量の変化になる。 これを力積という。

３． 運動の３法則 TA2 TA3 問 同じ質量ｍの物体が速さvで真正面 衝突する。 衝突前の全運動量は ３．　運動の３法則 m v 問　同じ質量ｍの物体が速さvで真正面 衝突する。 衝突前の全運動量は である。衝突後も運動量は不変である。 衝突後の運動の形態はどうなるか？ 問　同じ質量ｍの物体二つがばね 常数kで繋がっている。外力を受けず 重心が静止した状態で振動するとき、 全運動量はいくらか。 角振動数ωはいくらになるだろうか。 TA2 m k TA3

３． 運動の３法則 TA4 問：質量Mの太陽の周りを回転運動する、質量mの地球を考えよう。 ３．　運動の３法則 問：質量Mの太陽の周りを回転運動する、質量mの地球を考えよう。 地球と太陽の間に働く万有引力以外に外力は無く、重心が静止しているとき、全運動量はいくらか。 運動量が保存する作用反作用 のルールにてらして地球と太陽 の運動を考えよ。 Ｙ Ｘ θ m M M=2.0x1030kg m=5.9x1024kg r=1.5x1011m ｒ O TA4

いろいろな力 万有引力 弾性力　　　　　　　　　　　　　　　　　ｘは変位 粘性抵抗力 力のモーメント　　　　　　　　　　　角運動量 こりおり力 mr2ω

３． 運動の３法則 TA5 問 質量Mとｍの物体二つがばね 常数kで繋がっている。外力を受けず 振動するとき、角振動数ωはいくらに ３．　運動の３法則 問　質量Mとｍの物体二つがばね 常数kで繋がっている。外力を受けず 振動するとき、角振動数ωはいくらに なるだろうか。 　　　　　　　　　になる。ここで、 である。換算質量という。Reduced mass M>>mの場合は？　　　　　　　　M=1.5mの場合は？ M k m k m 壁 TA5 1.5m k m

３．　運動の３法則 問：地球と太陽の間に働く万有引力のみにより質量Mの太陽と質量mの地球が回転運動している。重心が静止しているとき、作用反作用のルールに基づけば、運動は 天動説的だろうか？それとも 地動説的だろうか？ Ｙ Ｘ θ m M M=2.0x1030kg m=5.9x1024kg r=1.5x1011m ｒ O TA1

４．いろいろな運動（１） ４．１　放物運動 ４．２　空気抵抗 ４．３　束縛運動 ４．４　単振動

４．いろいろな運動（１） 力は運動量変化をもたらすと学んだ。 こんな関係があった。 もし一定の力が作用したとき、t秒後の経過を考えると運動量の変化は、 になる。これは時間経過がごく短時間の場合は、運動量の変化は僅かであることを示している。

４．いろいろな運動（１） もし予めp=(px,0,0)であり、F=(0,0,Fz)なら、 t秒後には p=(px,0, Fzt)であり、 Δp=(0,0, Fzt)である。 即ち、　　　　　　　　　までは 力による運動は初速度pxが主役である。 そして、　　　　　　のとき、加速度による運動が支配的になる。

４．１ 放物運動parabolic movement 加速度は 速度は 位置は y θ x

４．１ 放物運動parabolic movement これは放物線運動である。 ・位置の大きさ(原点からの距離）はどうなる？ 位置は始めはｔに比例して大きくなる。等速運動 そのうち、ｔ2に比例して急激に大きくなる。 ・位置の大きさの変化がｔ的からｔ2的に切り替わる時刻はいつ？

４．１ 放物運動parabolic movement 　　　　　　　　　　　　　　　だろう。 　　　　　　　　　　　　　　　　　である。 物体はt0までは概ね等速度運動、t0を超えると等加速度運動と言える。

４．１ 放物運動parabolic movement ・t0のときの原点からの距離r0は ・Ｘ軸上への落下点までの距離r1は ・最高高さ到達点までの距離r2は　 r0,r1,r2 r0 r1 r2 θ ｇ=v0=1のとき

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） z方向下向きに重力加速度ｇが働いており、空気の粘性抵抗下でt＝０でz＝０、ｚ方向に速度-v0をもつ質量mの物体の運動を考えよう。 粘性抵抗力は 運動の式は を解こう

その前にＴＡ諸君の体験談を聞こう ４．２ 空気抵抗(粘性抵抗） ４．２　空気抵抗(粘性抵抗） z方向下向きに重力加速度ｇが働いており、空気の粘性抵抗下でt＝０でz＝０、ｚ方向に速度-v0をもつ質量mの物体の運動を考えよう。 粘性抵抗力は 運動の式は その前にＴＡ諸君の体験談を聞こう を解こう

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） z方向下向きに重力加速度ｇが働いており、空気の粘性抵抗下でt＝０でz＝０、ｚ方向に速度-v0をもつ質量mの物体の運動を考えよう。 粘性抵抗力は 運動の式は 解析の方針： １．まず大まかに特徴を調べる。 ２．次に数学的解を求める。 ３．最後にきちんと解の特徴をチェックする。 を解こう

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） と置く。 と置く。 割り算と掛け算をする。 積分をする。 整理する。 vは・・・・・・・・

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） vはt=0で-v0だから、 よってvは 従ってzは　　　　　

４．２ 空気抵抗(粘性抵抗） TA 問：-v0=0のとき、落下のごく初期t<<小のとき、 と、近似できることを示せ。 ４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 問：-v0=0のとき、落下のごく初期t<<小のとき、 と、近似できることを示せ。 -v0がゼロでない時どうなるか考えよ。　　　　　 TA

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 問：-v0=0のとき、落下のごく初期t<<小のとき、　　　　　

４．２ 空気抵抗(粘性抵抗） TA 問：空気抵抗中の物体の速度v と位置z は次の式で書けることを学んだ。 ４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 問：空気抵抗中の物体の速度v と位置z は次の式で書けることを学んだ。 この運動はC→0 のとき、通常の自由落下運動の速度、位置と一致することを示せ。 TA

４．２　空気抵抗(粘性抵抗）

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 微分式を解くことによって粘性抵抗運動の完全解が得られた。 十分時間がたったとき速度は、

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 十分時間がたったとき速度は、 となる。終端速度という。 終端速度状態のとき、速さは力の大きさに比例する。

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） m=g=C=1のとき、初速度v0=2,1,0,-1,-2ときの速度を計算してみよう。 v0=2 1 -1 -2

問 特徴を議論せよ ４．２ 空気抵抗(粘性抵抗） m=g=C=1のとき、初速度-v0=2,1,0,-1,-2ときの速度を計算してみよう。 ４．２　空気抵抗(粘性抵抗） m=g=C=1のとき、初速度-v0=2,1,0,-1,-2ときの速度を計算してみよう。 v0=2 1 -1 -2 問　特徴を議論せよ

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） Cが小さくなったらどうなるだろうか。 mが小さくなったらどうなるだろうか。 v0=2 1 -1 -2

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） 問　重力等外力が全く働いていない空間で、空気の粘性抵抗下でt＝０でz＝０、ｚ方向に速度-v0をもつ質量mの物体の運動を解析せよ。

４．２ オームの法則 電気回路を流れる電流は電位降下に比例する。 オームの法則という。Ｒは抵抗。 ４．２　オームの法則 電気回路を流れる電流は電位降下に比例する。 オームの法則という。Ｒは抵抗。 粘性抵抗の特性を用いてオームの法則を導こう。

４．２ オームの法則 電界強度Ｅ中の電荷の運動以下の式で表される。 ４．２　オームの法則 電界強度Ｅ中の電荷の運動以下の式で表される。 ここでｍは電荷の質量、tは運動のライフタイム、Eは電界強度である。電荷の位置ｘが時間ｔ=0でゼロ、速度ゼロのとき電界強度によって生じる電荷の運動は上式を解くことによって与えられる。 問　上式は空気粘性抵抗下での物体の落下の式 　　　　　　　　　　　　　について、 とした場合に相当する。時刻tでの電荷の速度を求めよ。

４．２ オームの法則 速度は 単位面積当たりの電流は だから電流値は、 ４．２　オームの法則 速度は 単位面積当たりの電流は だから電流値は、 となる。ここで取り扱う時間ｔが電荷の運動のライフタイムτよりずっと長い場合を考えよう。このとき、 であるから、電流と速度は、 となり、時間に依存しない量となる。

４．２ オームの法則 よって面積Ｓを通過する電流Ｉは であり、電界強度が一定なら、距離Ｌで電位降下はＶ＝ＥＬ となるから、 ４．２　オームの法則 よって面積Ｓを通過する電流Ｉは であり、電界強度が一定なら、距離Ｌで電位降下はＶ＝ＥＬ となるから、 電流は電圧に比例する。 これがオームの法則である。 係数　　　　　　　　を物質の電気伝導率という。 係数　　　　　　　　　　　を物質の電気抵抗率という。

４．２　オームの法則 電気抵抗は 問　アルミニウムは有名な金属である。 　　　　　　　　　　　を考察せよ。

４．２　Ａｌ

４．２　空気抵抗(粘性抵抗） ストークス則　球形の場合 η：流体の粘度 [Pa･s] 終端条件 球形条件

４．３　束縛運動 (摩擦) Fg N 摩擦： －Nμ 粘性抵抗：　－Ｃｖ 摩擦による抵抗と粘性抵抗の違いを議論せよ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

４．３ 束縛運動 時刻ゼロで初速v0で斜面上がり向き に物体を打ち出した場合を考える。 斜面に沿って座標をとる。 １）摩擦が無い場合 ４．３　束縛運動 時刻ゼロで初速v0で斜面上がり向き に物体を打ち出した場合を考える。 斜面に沿って座標をとる。 １）摩擦が無い場合 運動の式は 時刻ｔでの位置と速度は　　　　　　　　　　　　　　　　　 m g N θ v Ｘ 自由落下の場合と比べよ　　　　　　　　　　　　　　 ・似ているところ ・違うところ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

４．３ 束縛運動 N （２）摩擦がある場合、 v Ｘ 動摩擦係数をμとすると、運動の式は、 m v>0のとき θ g ４．３　束縛運動 m g N θ v Ｘ （２）摩擦がある場合、 動摩擦係数をμとすると、運動の式は、 v>0のとき 粘性抵抗の場合と比べよ。 ・似ているところ、 ・違うところ

４．３ 束縛運動 N v Ｘ 物体は必ず停止する。 m 時刻ゼロで、位置ｘ＝０であり、 初速v0で斜面上向きに物体を 打ち出す。 ４．３　束縛運動 m g N θ v Ｘ 物体は必ず停止する。 時刻ゼロで、位置ｘ＝０であり、 初速v0で斜面上向きに物体を 打ち出す。 x＝x0で物体が停止した瞬間に 物体に打撃を加えて物体の速度を-ｗ0として斜面を下らせるとしよう。 x地点の下りの運動の式は、 v<0

４．３　束縛運動 速度 上り 下り ただし、 位置 （１） （２） （３） （４） （５） （６）

４．３ 束縛運動 N x m 物体がまた再び停止する条件 w0 があるだろうか。 θ g 速度は ただし、 停止する条件 ４．３　束縛運動 m g N θ w0 x 物体がまた再び停止する条件 があるだろうか。 速度は ただし、 停止する条件 動摩擦係数が上式のように大きいとき物体は停止する。

４．３　束縛運動 m g N θ w0 x 停止しない場合は速度は どうなるか 速度は ただし、 粘性抵抗の現象と比べよう。

４．３　束縛運動 振り子の運動はおなじみである。 でも単純ではない。 円弧接線方向の力成分は 線運動量は 運動の式は、 　　　　　　　　　　　　　　　　　とおく。 θ mg

４．３　束縛運動 　　　　　を両辺に掛けて積分しよう。 最下点θ=0の角速度をω0とおくと θ mg

４．３　束縛運動 を両辺に掛けて　　 dt　で積分しよう。 =

４．３ 束縛運動 もし、最下点から見て高さHから振られた とすると、 エネルギー保存則 ４．３　束縛運動 もし、最下点から見て高さHから振られた とすると、 　　　　　　　　　　　　　　エネルギー保存則 微分方程式は振り子の運動が高さＨに依存することを示している。しかし式解くのは難しい・・・・・・ θ mg

４．３　束縛運動 から振り子を振り出すとしよう。 初期角度は さらにg=9.8, l=1としよう。有効桁2桁まで取ると、 θ mg

４．３　束縛運動 初期角度　　　　　　からの変化を差分的に 数値計算しよう。 θ mg

４．３　束縛運動 計算結果：　　　　　　, g=9.8, l=1のとき、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　であり、 θの時間変化は、 θ mg

４．３　束縛運動 １周期は2.16 sである。 これを、θ<<小 の場合の解 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　と比べてみよう。（破線） θ mg

４．３ 束縛運動 数値計算の結果、 の運動の周期は、H=0.5, g=9.8, l=1 のとき、2.16 sだった。 ４．３　束縛運動 数値計算の結果、 の運動の周期は、H=0.5, g=9.8, l=1 のとき、2.16 sだった。 これに対し、θ<<小の近似解、 の場合の運動の周期は、2.01 sである。 なぜθ<<小の近似解の方が周期が短いのだろう？ θ mg

４．３　束縛運動 振り子の　θ<<小の近似式は、 となる。これはバネの運動の式と同じである。 θ mg

４．３ 単振動 再び。Ｘ-Ｙ平面において半径ｒを一定角速度ωで回転している質量ｍの物体を考えよう。 位置ベクトルは であるから、 ４．３　単振動 再び。Ｘ-Ｙ平面において半径ｒを一定角速度ωで回転している質量ｍの物体を考えよう。 位置ベクトルは であるから、 運動量ベクトルは 力ベクトルは 運動エネルギーは Ｙ Ｘ θ m

４．３ 単振動 ・物体には の中心向きの力が常に働いている。大きさは である。 ・力によって運動の向きは刻々と変わる。 ４．３　単振動 ・物体には の中心向きの力が常に働いている。大きさは　 である。 ・力によって運動の向きは刻々と変わる。 　よって運動量は時間によって変化する。 ・しかし物体の速さは変わらない。 　運動量の大きさも変わらない。　　　　　　　 ・よって運動エネルギーは時間一定である。　　

４．３ 単振動 円運動のX成分だけ取り出してみよう。 Ｙ 即ち等角速度円運動のひとつの成分は、単振動の運動をする。 周期は 角振動数は Ｘ ４．３　単振動 円運動のX成分だけ取り出してみよう。 即ち等角速度円運動のひとつの成分は、単振動の運動をする。 周期は 角振動数は Ｙ Ｘ θ m

４．３ 単振動 運動方程式は、 で、このような形の方程式の解は ４．３　単振動 運動方程式は、 で、このような形の方程式の解は の形になる。このような形の一つの角振動数の三角関数で表されるような運動を、単振動(調和振動)という。 例えば、右図のような、ばね定数ｋ、質量ｍ のおもりがついたばねの運動は単振動周期 運動である。 単振動は、半径aの円周上を定角速度ωで回転する点の正射影と同じ運動である。 m k

４．３　単振動の応用 ２つの質量ｍの物体がそれぞれバネ常数ｋに繋がれて振動している。さらに物体同士が新たなバネで繋がれている場合の運動を調べよう。 予言：・１と２が同位相で動く時角振動数はＡである。　 　　　　・１と２が逆位相で動く時角振動数はBである。 　　　　・よって１と２はＡとＢの角振動数の合成振動 　　　　　になる。 m k k* 1 2

４．３ 単振動の応用 物体１と２の運動の式はそれぞれの変位をx1,x2とすると、 ４．３　単振動の応用 物体１と２の運動の式はそれぞれの変位をx1,x2とすると、 となる。上式は　X= x1+x2, Y= x1-x2　とおいて解くように教わった。 x1 x2 m k k* 1 2

４．３ 単振動の応用 X及びYは振動数、 と で振動する単振動である。 とおけば、 ４．３　単振動の応用 X及びYは振動数、　　　　　　　　と　　　　　　　　　　　 で振動する単振動である。 とおけば、 ふたつのバネを新たなバネでつなぐことにより、2つの異なる振動が生じた。不思議！

４．３ 　円運動と単振動 地 球 ｍ 地球の重力により、図の矢印の方向に運動する２つのシャトルを考えよう。シャトルAは北極から南極に貫くトンネルを通る。シャトルBは地表すれすれを一定速度で周回する。地球は真球であり、半径R、密度は均質な質量Mである。シャトルは質量ｍであり、十分小さい。 トンネルも十分小さい。地球中心を原点Oにとる。トンネルを貫く軸をY軸にとり、図のようなX-Y平面をシャトルは運動する。Z軸は紙面鉛直上向きが正である。空気の抵抗は考えないとする。 地球は自転していないとする。 時間ゼロでシャトルは北極点におり、 右回りとする。 北極点 Ｙ Ｙ (0,R,0) B (x,y,0) A A θ Ｘ O O

４．３ 円運動と単振動 地球とシャトルの間に働く力は、 だから、 である。 M= 5.974x1024 kg R= 6.37x106 m ４．３ 　円運動と単振動 地球とシャトルの間に働く力は、 　　　　　　だから、　　　　　　　　　である。 M=　5.974x1024 kg　　R= 6.37x106 m 計算すると　　ｇ　=9.81 m/s2 　である。 重力加速度は地表いたるところで一定であり、地球の中心方向を 向いているから、X-Y平面上では の形をしている。 加速度の大きさ 角速度は 周期は ケプラーの第三法則 =5060 s !

４．３ 円運動と単振動 速度の大きさは =7.9x103 m/s ! 運動量の大きさは 運動エネルギーは ４．３ 　円運動と単振動 速度の大きさは 運動量の大きさは 運動エネルギーは もしシャトルの重さが１０トンだとすると、　E=3.1x1010 J ! 最後にシャトルの位置は、時刻ゼロで北極点、右回りだから =7.9x103 m/s !

４．３ 円運動と単振動 地球トンネルを動くシャトルの場合を考えよう。 ４．３ 　円運動と単振動 地球トンネルを動くシャトルの場合を考えよう。 (0,y,0)にいるシャトルに働くY方向の力は、(x,y,0)にいる周回シャトルが受ける力のy成分に等しい。 だから、運動の式は 　　　　　加速度は となる。これはバネの問題と同じである。

４．３ 　円運動と単振動 式を解くまでもなく答えは求められて、 シャトルの位置は（y軸上） 速度は 運動量は 運動エネルギーは 周期は　

４．３ 円運動と単振動 地球トンネルを動くシャトルの運動のまとめ １．北極にいるときの 速度はゼロ、加速度の大きさは ４．３ 　円運動と単振動 地球トンネルを動くシャトルの運動のまとめ １．北極にいるときの 　　速度はゼロ、加速度の大きさは ２．地球の中心で速度最大＝7.9x103m/s,これは周回シャトルの速度と同じ。加速度はゼロ。 ３．運動エネルギーは北極でゼロ、地球中心で最大 これは周回シャトルの運動エネルギーと同じ。 ４．北極から南極まで行って帰ってくるのに5060秒かかる。 これは周回シャトルの１周期と同じ。 ５．運動は往復周期振動運動。バネの運動と同じ。

４．３ 円運動と単振動 万有引力を見直してみよう。 地球の密度をρとすれば、 だから 地表での重力加速度は ４．３ 　円運動と単振動 万有引力を見直してみよう。 地球の密度をρとすれば、 だから 地表での重力加速度は 地球トンネルのシャトルが感じる加速度の大きさは、 このことは、地球の中心から距離ｙにあるシャトルが受ける重力的力は地球と同じ密度を持つ半径ｙの球状物体から受ける力と同じであることを示している。

４．３ 　円運動と単振動 問：　前ページの議論を参考にして、あなたが地球から受ける重力の大きさを中心からの距離の関数として下のグラフに描け。 ΔM1 Δθ R ０ 距離 重力の大きさ （半径） r1 m Δθ r2 球殻 ΔM2

５．２ 減衰振動 粘性抵抗下のバネの運動を考える。 ・変位に比例した復元力がある。 ・速度に比例した抵抗がある。 予想 ５．２　減衰振動 粘性抵抗下のバネの運動を考える。 ・変位に比例した復元力がある。 ・速度に比例した抵抗がある。 予想 抵抗が小さければバネは振動を続ける。 しかし抵抗はゼロではないから少しずつ衰える。 遂には止まってしまう。振動数は抵抗が無い場合より小さく、周期は長いだろう。－振動をしながら衰える運動 抵抗が非常に大きければバネは自然長位置を越えて向こう側に行くことができないまま衰え、遂には止まってしまう。－振動せず衰える運動

５．２ 減衰振動 バネを引っ張り、時刻ゼロで手を離した 場合を考えよう。 m バネ常数k, 粘性抵抗係数α、 自然長の位置をゼロとする、 k ５．２　減衰振動 バネを引っ張り、時刻ゼロで手を離した 場合を考えよう。 バネ常数k, 粘性抵抗係数α、 自然長の位置をゼロとする、 時刻ゼロではバネの速度は当然ゼロ。 これまでの勉強によって、運動の式は式のように書ける。 m k

５．２　減衰振動 運動の式 整理 解を仮定する 特性式 解の条件

５．２　減衰振動 解の条件 一般解 　　　　　　　　　　　　を境に運動の形態が大きく変わる。 抵抗のないときの固有角振動数 抵抗因子

５．２　減衰振動 一般解 ①　　　　　　のとき、 実数条件

５．２ 減衰振動 教科書の通りになる。 x＝０の時刻t0は、 x＝０で見た振動の周期は 予想通り抵抗が無いときより周期は長くなる。 ５．２　減衰振動 教科書の通りになる。 x＝０の時刻t0は、 x＝０で見た振動の周期は 予想通り抵抗が無いときより周期は長くなる。 振幅が減衰しながら振動する運動。

５．２　減衰振動 速度は？ 時刻ゼロで速度はゼロだから 加速度は？

５．２　減衰振動 抵抗が無いときの位置と速度の計算例 速度 位置 時間(s)

５．２　減衰振動 抵抗が無いときの位置と速度の計算例 負方向復元力のために速さ増大 正方向復元力のために速さ減少 位置 時間(s) 速度

５．２　減衰振動 抵抗下での位置と速度の計算例 速度 位置 時間(s)

５．２　減衰振動 抵抗下での位置と速度の計算例 負方向復元力のために速さ増大するが、正方向粘性抵抗力のために速度は位置ゼロになる前に減少に転じる。 位置 時間(s) 速度

５．２　減衰振動 一般解 ②抵抗が大きくなり、　　　　　　　になると、ωは小さくなる。

５．２　減衰振動 　　　　　　を臨界制動という。グラフの赤線の場合である。βを少しずつ大きくすると、グラフのように、少しずつ減衰振動の振幅が小さくなることが分かる。 位置 時間(s) β=0 1 3 4 5 2

５．２　減衰振動 速度を見てみよう。最初はゼロである。減衰振動の場合は負から正へと変化する。しかし、βが大きくなると速さは小さくなる。臨界制動でもバネは動くから速度はあるがその向きは負のままである。 速度 時間(s) β=0 1 3 4 5 2

５．２　減衰振動 一般解 ③抵抗が非常に大きく　　　　　　なら、 過減衰という。二つの指数減衰関数の組み合わせである。

５．２　減衰振動 速度はt=0で0だから、 過減衰という。二つの指数減衰関数の組み合わせである。 　　　　　　　なら

５．２　減衰振動 位置と速度をグラフで示した。臨界制動から、βが大きくなるにつれて位置はゆっくり変化しゼロへと至る。よって速さはβが大きくなるにつれて小さくなり、速さのピークは小さくなる。 β=5 7, 9,11 20 位置 時間(s) 速度

５．２ 減衰振動 のとき、bを時定数という。t=bのとき である。 xが実効的効果的な時間範囲をbで表す。 ５．２　減衰振動 のとき、bを時定数という。t=bのとき　　　　　　　　である。 xが実効的効果的な時間範囲をbで表す。 物理や電気工学で頻繁に用いられる。 　　　　　　　　　　　なら時定数は ω0=5, β=20のとき、時定数は、1.6 s 抵抗が無いとき、 ω0=5は1/4周期を0.31 sで振動運動するが、 β=20のバネは大きな粘性抵抗によりゆっくり運動することになる。

５．２　減衰振動のまとめ 運動の式 ｔ=0でv=0のとき、 ①減衰振動 ②臨界制動 ③過減衰

５．２　減衰振動のまとめ ＬＣＲ直列回路 式は 電流は抵抗下のバネのおもり位置と同じ時間変化をする。

５．２　減衰振動のまとめ ＬＣＲ直列回路 式は 臨界制動条件： 　　　　　　　　なら減衰振動的に電流が流れる。 　　　　　　　　なら過減衰的に電流が流れる。

５．２ 減衰振動のまとめ TA1 TA2 問 L=1 mH, C=1 μF R=10Ωのとき を有効桁2桁で求めよ。 ５．２　減衰振動のまとめ 問 L=1 mH, C=1 μF R=10Ωのとき を有効桁2桁で求めよ。 問　　　　　　　　　となり有名なＲＣ時定数である。 L=1 mH, C=1 μF、R=10KΩのとき を求めよ 3.12E+04 TA1 TA2

５．２　減衰振動のまとめ 運動の式 ｔ=0でv=0のとき、 ①減衰振動 ②臨界制動 ③過減衰

５．3 強制振動 問：故障して落下中のエレベータの天井に ばね定数ｋのばねが吊られている。ついで に乗っているあなたから見てばねは静止し ５．3　強制振動 問：故障して落下中のエレベータの天井に ばね定数ｋのばねが吊られている。ついで に乗っているあなたから見てばねは静止し ている。時刻ゼロでエレベータは地面に無 事着地した。あなたもばねも無事だった。 落下中は重力加速度ｇを感じなかったが、 エレベータが止まってからはｇをずっしり感 じる。 t<0,と t>0のばねの運動の式を書け。 t>0でばねがどんな運動をするかグラフを描け。 ここで空気抵抗は減衰振動を与えるとする。 m ｇ

５．3　強制振動 F 強制的に周期的力を加えて振動を 励起する場合を考えよう。 運動の式は m k

５．3 強制振動 F m k 解は一般解と特殊解 １．一般解は勉強したように過渡応答を与える。 つまり動き始めの様子を与える。 ５．3　強制振動 F m k 解は一般解と特殊解 １．一般解は勉強したように過渡応答を与える。 つまり動き始めの様子を与える。 ２．特殊解は力に応じた定常的動きの様子を与える。 御子柴・元木君はギターを上手く弾いてくれた。皆さんは御子柴・元木君のFによる特殊解定常解を楽しんだ。 しかし、カーテンはあまり鳴らなかった。御子柴・元木君は同じようにFを仕掛けたが、相手の特殊解定常解は我々の耳には届かなかった。

５．3　強制振動 F m k 定常解 TA1

５．3 強制振動 F m k 固有振動数ω0を持っていても必ず外力の振動数にならって振動する。大変不思議だ。 ５．3　強制振動 F m k 固有振動数ω0を持っていても必ず外力の振動数にならって振動する。大変不思議だ。 しかし、よく見ると振幅は外力の振動数が固有振動数に一致した時に大きくなる。共振という。 さらに抵抗βが小さいほど共振現象は顕著になる。

５．3　強制振動 F m k 抵抗βが小さいほど共振現象は顕著になる。 Q値を用いるとＱが大きいほど共振現象は顕著になる。

５．3　強制振動 ～ Ｖ ＬＣＲ回路の場合、 だったから、 Ｒが小さいと共振振幅が大きくなる。

５．3 強制振動 固有振動数ω0を持っていても必ず外力 F の振動数にならって振動する。 しかし、振幅は外力の振動数が ５．3　強制振動 固有振動数ω0を持っていても必ず外力 の振動数にならって振動する。 しかし、振幅は外力の振動数が 固有振動数に一致した時に大きくなる。 問　それではいろいろな振動数の外力が加わった時バネはどんな反応をするだろうか？ F m k

５．3　強制振動 御子柴・元木外力Fのスペクトル F パワーF ω ０ Ωギター Ωカーテン m k

6. エネルギーとその保存則 6．１ 仕事 6．２ 仕事の一般的定義 6．３ 仕事率 6．４ 保存力と位置エネルギー 6．１　仕事 6．２　仕事の一般的定義 6．３　仕事率 6．４　保存力と位置エネルギー 6．５　運動方程式のエネルギー積分

6．１ 仕事 質量ｍの静止していた物体が力Ｆを受けてΔｔ秒間にΔｒだけ移動したとしよう。 物体が受ける仕事はＷ＝ＦΔｒである。 6．１　仕事 質量ｍの静止していた物体が力Ｆを受けてΔｔ秒間にΔｒだけ移動したとしよう。 物体が受ける仕事はＷ＝ＦΔｒである。 Δｔ秒間にΔｒだけ移動したのだから その間の平均速度は 　　である。 しかし最初はv＝０であった。ということは、 Δｔ秒後は　　　　　　　になる。 Δｒ Δｔ

6．１ 仕事 仕事mechanical workは、 と書くことができる。 6．１　仕事 仕事mechanical workは、 と書くことができる。 力積(impact)はＦΔｔであり、これは運動量の変化量である。静止していた物体は、力を及ぼされたことにより運動量を獲得する。 仕事によって物体は力学的運動エネルギーを獲得する。 Δｒ Δｔ

6．２ 仕事の一般的定義 力を及ぼして物体が位置ｒ１からｒnまで移動したとき、 6．２　仕事の一般的定義 力を及ぼして物体が位置ｒ１からｒnまで移動したとき、 物体に与えた（損した）総仕事量は以下のように力と変位の内積の集合として与えられる。 物体が獲得した仕事はエネルギーが保存するときは当然、 となる。

6．３　仕事率 単位時間当たりの仕事を仕事率という。　　 仕事　 仕事率　　　　

6．４ 保存力と位置エネルギー 仕事 が のように書けると仮定しよう。このとき、 6．４　保存力と位置エネルギー 仕事　　　　　　　　　　　　　　 が のように書けると仮定しよう。このとき、 は位置積分可能な関数でなければならない。U(r)をrにおける位置のエネルギー、あるいはポテンシャルエネルギーという。このとき以下の関係がある。

6．４ 保存力と位置エネルギー 物体がU(r)の下をrAからrBまで移動したとする。 位置エネルギーは から 6．４　保存力と位置エネルギー 物体がU(r)の下をrAからrBまで移動したとする。 位置エネルギーは　　　　　から となる。物体は　　　　　　　　　　の運動エネルギーを得る。 位置エネルギーの変化量と物体が獲得する運動エネルギー量は等しい。　　 この性質は のときのみ成り立つ。このときＦを保存力という。

6．４ 保存力と位置エネルギー 力が のような位置の関数で表 されるとき、この力を保存力 Conservative force という。 6．４　保存力と位置エネルギー 力が　　　　　　　　　　　　　　　　　のような位置の関数で表 されるとき、この力を保存力　Conservative force　という。 このとき、 位置ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの和 はいつも一定である。

6．５ 運動方程式のエネルギー積分 力が場所積分可能な場合に僕らの運動の式はどうなるのだろうか試してみよう。 0からxまで積分しよう。 6．５　運動方程式のエネルギー積分 力が場所積分可能な場合に僕らの運動の式はどうなるのだろうか試してみよう。 0からxまで積分しよう。 位置エネルギー差と同じ量の運動エネルギーが発生する。

6．４ 保存力と位置エネルギー 力が のような位置の関数で表 されるとき、この力を保存力 Conservative force という。 6．４　保存力と位置エネルギー 力が　　　　　　　　　　　　　　　　　のような位置の関数で表 されるとき、この力を保存力　Conservative force　という。 このとき、 位置ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの和 はいつも一定である。

6．４　保存力と位置エネルギー もし、物体が保存力の力によりある地点から移動して、再び元に戻ったとする。このときポテンシャルエネルギーは出発時点ともとに戻った時点では変わらない。よって運動エネルギーも元に戻る。仕事ゼロ。エネルギーはもちろん保存する。

6．４　保存力と位置エネルギー 問：　以下の力は保存力か？ １）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保存力 ２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保存力 ３）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保存力ではない

6．４　保存力と位置エネルギー 問　スカラー関数Ａは　　　　　　　　　　が常に成り立つことを示せ。

6．４　保存力と位置エネルギー １）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　は保存力か？ もし　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ならば、 　　　　　　　　　　　　　　　ならば、Fは保存力である。 保存力＆一回りで仕事ゼロ

6．４　保存力と位置エネルギー ２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 保存力＆仕事ゼロ

6．４ 保存力と位置エネルギー ３） C(0,b) B(a,b) O A(a,0) 保存力ではない。一周した場合 仕事あり。 6．４　保存力と位置エネルギー ３）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 O A(a,0) B(a,b) C(0,b) 保存力ではない。一周した場合 仕事あり。 もし、　　　　　　　　　　　　　なら保存力だった。だから、余るのは kyである。OA,BCについて力kyの仕事が、一周したときの仕事。 仕事は-kba

簡単な問題 重力がなく、空気抵抗もない空間で、図のように バネにつながれた質量ｍの物体を、自然長を 原点として、原点からx0だけ引き伸ばし、時刻 ゼロで手を離した。 １）時刻tでの物体の位置x(t)を求めよ。 ２）物体に働く力、F(t)を求めよ。 ３） 力のF(t)のポテンシャルエネルギーを求めよ。 ４） x0から0まで移動する時に物体がもらう仕事を求めよ。 ５） 0から-x0まで移動する時に物体がもらう仕事を求めよ。 ６） -x0から0まで移動する時に物体がもらう仕事を求めよ。 ７） 0からx0まで移動する時に物体がもらう仕事を求めよ。 m k x

簡単な問題 １）時刻tでの物体の位置x(t)を求めよ。 ２）物体に働く力、F(t)を求めよ。 m k x

簡単な問題 ５） 0から-x0まで移動する時に物体がもらう仕事を求めよ。 ６） -x0から0まで移動する時に物体がもらう 仕事を求めよ。 m k x

簡単な問題 以下の力は保存力か？ １．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保存力 ２．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保存力ではない ３．　　　万有引力　　　　　　　　　　　　　保存力 ４．　　　粘性抵抗力　　　　　　　　　　　保存力ではない

簡単な問題 力 は保存力であり、力の方向を右図の上に書くと放射状の矢印になる。以下の力は保存力か否か、を答え、力の方向を右図にならって描け。 X Y O 力　　　　　　　　　は保存力であり、力の方向を右図の上に書くと放射状の矢印になる。以下の力は保存力か否か、を答え、力の方向を右図にならって描け。 １） ２）

簡単な問題 力 は保存力であり、力の方向を右図の上に書くと放射状の矢印になる。以下の力は保存力か否か、を答え、力の方向を右図にならって描け。 X Y O 力　　　　　　　　　は保存力であり、力の方向を右図の上に書くと放射状の矢印になる。以下の力は保存力か否か、を答え、力の方向を右図にならって描け。 １）　　　　　　　　　　　　　　２） X Y O X Y O

簡単な問題 問：平面内で運動する質点に働く力　ｆ　の直角座標成分がfx=axy, fy=ax2/2(aは定数）と書けたとする。fが保存力であるかどうか調べよ。もし保存力ならポテンシャルエネルギーを求めよ。 問：平面内で運動する質点に働く力　ｆ　の直角座標成分が fx=axy, fy=by2 (a,bは定数）と書けたとする。fが保存力であるかどうか調べよ。 X軸上の点A(r,0)からy軸上の点C(0,r)まで、半径rの円周に沿って動く場合と、弦ACに沿って動く場合のfのする仕事を求めよ

簡単な問題 問：平面内で運動する質点に働く力　ｆ　の直角座標成分がfx=axy, fy=ax2/2(aは定数）と書けたとする。fが保存力であるかどうか調べよ。もし保存力ならポテンシャルエネルギーを求めよ。 問：X軸上の点A(r,0)からy軸上の点C(0,r)まで、半径rの円周に沿って動く場合と、弦ACに沿って動く場合のfのする仕事を求めよ。 　　円周： 　　弦：

6．４ 保存力と位置エネルギー 重力は と書けるとき保存力であり、位置エネルギー がmghのような関数で表現できる。 6．４　保存力と位置エネルギー 重力は と書けるとき保存力であり、位置エネルギー がmghのような関数で表現できる。 摩擦などがないときの重力下の運動は 保存力下の運動である。 これまで学んだ振り子の運動を保存力と 位置エネルギー観点から調べよう。 θ mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA1君:重力は保存力ですね。 TA2君:そうです。 TA3君:右図の振り子を考えましょう 6．４　保存力と位置エネルギー TA1君:重力は保存力ですね。 TA2君:そうです。 TA3君:右図の振り子を考えましょう TA4君：考えます。 TA5君:運動方向の力は　　　　　　　　　　です。 TA6君:そうです。 TA7君:保存力なら力学的ポテンシャルUがある はずです。そして 　　にならなければなりません。 TA8君:そうです。当たり前です。 TA1君:振り子を動かしているのは一定の重力だから、 　　ポテンシャルエネルギーはU=mgh 　　のような形にならなければなりません。 θ mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA2君:そうです、別にいいじゃないか。 TA3君:良くありません、なんで 6．４　保存力と位置エネルギー TA2君:そうです、別にいいじゃないか。 TA3君:良くありません、なんで 　　が　U=mghから出てくるか問題です。 TA4君:そうです。問題です。 TA5君:考えて下さい。 TA6君:考えましょう。 　　横軸をｘ、縦軸をｙとしましょう。 　　そして最下点x=0,y=0のポテンシャル エネルギーをゼロとしましょう。 TA7君:そうしましょう。 TA8君:振り子の円弧の運動の方向はθ方向です。 TA1君:そうです。 TA2君:よって運動の位置の変数はlθです。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA3君:そうなんですか？ TA4君:そうなんです、lが大きければ移動距離が 大きくなります。 6．４　保存力と位置エネルギー TA3君:そうなんですか？ TA4君:そうなんです、lが大きければ移動距離が 　　大きくなります。　　 TA5君:つまり、　　　　　　　　　の微分変数を 　　 lθ　にせよと言いたいんですか？ TA6君:そうです。 TA7君:ふ～ん、まあいいや、そうしましょう。 TA8君:積分しましょう。 TA1君:積分しましょう。 TA2君:Fを積分します。 TA3君:よくできました。でもCが分かりません。 TA4君:最下点のUはゼロです。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA5君:なるほど、そう決めました。 になります。それで？ TA6君: です。 6．４　保存力と位置エネルギー TA5君:なるほど、そう決めました。 　になります。それで？ TA6君:　　　　　　　　　　　　　　です。 TA7君:え、ああ、そうね、それで？ TA8君:だから、 TA1君:だから？ TA2君: 　　です。これはmghの形です。 TA3君:なるほど、よくできました。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA4君:でも異議あり、 と勉強しました。だからｘ、ｙ微分積分を使いたいです。 TA5君: です。 だから、 6．４　保存力と位置エネルギー TA4君:でも異議あり、 　と勉強しました。だからｘ、ｙ微分積分を使いたいです。 TA5君: 　です。 　だから、 　あれ？いや違う。変だ、待てよ・・・・ TA6君:どうしたの？これでいいじゃん。 TA7君:いや、ちょっと待って、ええっと・・・・ 　　ｘ、ｙ積分を使うときは、 　　力もｘ、ｙ成分を使わなければなりませんでした。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA8君:そうなんですか？ TA1君:そうなんです。だから、 です。 TA2君:そうですね・・・ 6．４　保存力と位置エネルギー TA8君:そうなんですか？ TA1君:そうなんです。だから、 　　です。 TA2君:そうですね・・・ TA3君:積分しましょう。 TA4君:積分しましょう。 TA5君:Fを積分します。 TA6君:よくできました。でもCが分かりません。 TA7君:最下点のUはゼロです。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー TA8君:なるほど、そう決めました。 それで？ TA1君: です。これはmghの形です。 6．４　保存力と位置エネルギー TA8君:なるほど、そう決めました。 　　それで？ TA1君: 　　です。これはmghの形です。 TA2君:なるほど、よくできました。 　変数によって力の成分を使い分けなければ 　　ならないんですね。 TA3君:そうみたいですね。 　　面白いですね。 TA4君:面白いですね。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー 重力は である。振り子の場合は運動は自由 ではなく の条件で束縛されている。即ち、ｘ、ｙ 6．４　保存力と位置エネルギー 重力は である。振り子の場合は運動は自由 ではなく の条件で束縛されている。即ち、ｘ、ｙ 成分は自由ではない。 運動は円弧の内に限られている。 円弧接線方向の力成分は、 である。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー そして運動はθ方向だから運動の式は、 となる。 ポテンシャルエネルギーは、運動の方向の 6．４　保存力と位置エネルギー そして運動はθ方向だから運動の式は、 となる。 ポテンシャルエネルギーは、運動の方向の 変数lθで力を積分して求める必要がある。 から、最下点０とすると となる。　　　　　　　　　　　　　だから、 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー Ｕは、 である。 重力 をｙ方向に積分して求めた場合、 と一致する。 それでは、よく近似的に用いられる、 6．４　保存力と位置エネルギー Ｕは、　　　　　　　　　　　である。 重力 をｙ方向に積分して求めた場合、 　　　　　　　　　と一致する。 それでは、よく近似的に用いられる、 θが小さいときの式 の場合のポテンシャルエネルギーはどうなるのだろう？ Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー この場合、力は だから、 である。もともと であった。θが小さいときはマクローリン 展開的近似ができる。 6．４　保存力と位置エネルギー この場合、力は だから、 である。もともと であった。θが小さいときはマクローリン 展開的近似ができる。 近似的運動の式も保存力とポテンシャルエネルギーの 理論に矛盾はない。 Y θ Ｘ O mg

6．４ 保存力と位置エネルギー 次にバネの運動を調べよう。 バネを引っ張り、時刻ゼロで手を離した m 場合を考えよう。 6．４　保存力と位置エネルギー 次にバネの運動を調べよう。 バネを引っ張り、時刻ゼロで手を離した 場合を考えよう。 バネ常数k, 粘性抵抗係数α、 自然長の位置をゼロとする、 時刻ゼロではバネの速度は当然ゼロ。 m k

５．２　減衰振動のまとめ 運動の式 ｔ=0でv=0のとき、 ①減衰振動 ②臨界制動 ③過減衰

6．４ 保存力と位置エネルギー 代表例として減衰振動を調べよう。 ①減衰振動 変位xのときバネのもつエネルギーは である。 6．４　保存力と位置エネルギー 代表例として減衰振動を調べよう。 ①減衰振動 変位xのときバネのもつエネルギーは である。 おもりmがバネから貰う運動エネルギーを考えよう。

6．４　保存力と位置エネルギー 抵抗が無いときの運動エネルギーとバネのエネルギー時間変化はグラフのように相互に入れ換わり二つの合計は常に一定である。 バネのエネルギー 二つの合計 運動エネルギーK

6．４　保存力と位置エネルギー 運動エネルギーとバネのエネルギーの位置による変化はグラフのようになる。運動エネルギーは位置を決めれば必ず決まる。バネのエネルギーはポテンシャルエネルギーとなる。保存力。 運動エネルギーK バネのエネルギー

6．４　保存力と位置エネルギー 粘性抵抗が少し発生しβ=0.5のとき、運動エネルギーとバネのエネルギーは振動しながら時間とともに減衰する。二つの合計も減衰する。バネのエネルギーは抵抗による熱などの運動エネルギーで はないエネルギー 変換される。 二つの合計 運動エネルギーK バネのエネルギー

6．４ 保存力と位置エネルギー β=0.5のとき、位置に対して運動エネルギーはいくつもの値をとる。保存力ではない抵抗が働く運動である。 6．４　保存力と位置エネルギー β=0.5のとき、位置に対して運動エネルギーはいくつもの値をとる。保存力ではない抵抗が働く運動である。 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４　保存力と位置エネルギー β=１のとき、運動エネルギーとバネのエネルギーは振動しながら時間とともにより速やかに減衰する。二つの合計も減衰する。 二つの合計 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４ 保存力と位置エネルギー β=１のとき、運動エネルギーは位置に対して極めて非対象になり、且ついくつもの値をとる。 バネのエネルギー 6．４　保存力と位置エネルギー β=１のとき、運動エネルギーは位置に対して極めて非対象になり、且ついくつもの値をとる。 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４　保存力と位置エネルギー β=２と大きくなると、運動エネルギーとバネのエネルギーは振動しながら時間とともによりさらに速やかに減衰する。二つの合計も減衰する。 二つの合計 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４ 保存力と位置エネルギー β=２のとき、運動エネルギー、位置エネルギーとも非対象になり、負の位置の振幅は非常に小さい。 6．４　保存力と位置エネルギー β=２のとき、運動エネルギー、位置エネルギーとも非対象になり、負の位置の振幅は非常に小さい。 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４　保存力と位置エネルギー β=５の臨界制動のとき、バネのエネルギーは振動せず減衰する。運動エネルギーはピークを1つ持ちその後減衰する。二つの合計エネルギーは振動せず減衰する。 5 二つの合計 バネのエネルギー 運動エネルギーK

6．４ 保存力と位置エネルギー β=５の臨界制動のとき、運動エネルギーとバネのエネルギーは正の位置のみ。 バネの エネルギー 運動エネル 6．４　保存力と位置エネルギー β=５の臨界制動のとき、運動エネルギーとバネのエネルギーは正の位置のみ。 5 バネの エネルギー 運動エネル ギーK

6．４ 保存力と位置エネルギー このような力を中心力という。 万有引力は中心力である。 そして保存力である。→ TA1君チェックせよ。 6．４　保存力と位置エネルギー このような力を中心力という。 万有引力は中心力である。 そして保存力である。→ TA1君チェックせよ。 → TA2君無限遠方をゼロとして ポテンシャルエネルギーを求めよ。