markdown
解析力学の入口md 59f1355
lecture/physics/analytical-mechanics/introduction-to-analytical-mechanics.lecture.n.md
Download PDF

解析力学かいせきりきがく入口いりぐち

date2026-07-14document_iddoc_769c06d0f50862b1614930265762dcc9description解析力学の入口として、拘束条件・自由度・一般化座標を定義し、振り子を例に反力を直接追わずに運動を記述する理由を証明する講義である。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 仕事と力学的エネルギー / 円運動と単振動 / 束縛条件type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/analytical-mechanics/analytical-mechanics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/analytical-mechanics/lagrangian-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/mechanical-constraints.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md
physicsanalytical-mechanicsgeneralized-coordinateslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、解析力学かいせきりきがくを「むずかしい公式こうしき」としてではなく、拘束条件こうそくじょうけんうごけない方向ほうこう最初さいしょからし、本当ほんとううごける自由度じゆうどだけで運動うんどう方法ほうほうとして解説かいせつする。

ニュートン力学りきがくでは、質点しつてんはたらちから全部ぜんぶ自由体図じゆうたいずれ、成分せいぶんごとに F=maてる。これは基本きほんである。しかしなめらかなめんうえ運動うんどう剛体ごうたい運動うんどうでは、張力ちょうりょく垂直抗力すいちょくこうりょくのような拘束力こうそくりょくしき複雑ふくざつにする。解析力学かいせきりきがくは、この複雑ふくざつさの根本こんぽんにある「使つかっている座標ざひょう余分よぶんである」という問題もんだいなおす。

2用語ようご定義ていぎ

配置はいちconfigurationとは、ある時刻じこくけい位置関係いちかんけい指定していする情報じょうほうである。

自由度じゆうどdegree of freedomとは、けい配置はいち指定していするのに必要ひつよう独立どくりつかず個数こすうである。

拘束条件こうそくじょうけんconstraintとは、座標ざひょうあいだされる条件じょうけんである。たとえばながいとにつながれたでは

x2+y2=2

拘束条件こうそくじょうけんである。

一般化座標いっぱんかざひょうgeneralized coordinateとは、拘束条件こうそくじょうけんたす配置はいち指定していするためにえら独立どくりつ座標ざひょうである。直交座標ちょっこうざひょうである必要ひつようはなく、角度かくどながさでもよい。

仮想変位かそうへんいvirtual displacementとは、時刻じこく固定こていしたまま、拘束条件こうそくじょうけんやぶらない微小びしょう配置はいち変化へんかである。

3方針ほうしん

解析力学かいせきりきがくでは、つぎ順序じゅんじょかんがえる。

  1. 拘束条件こうそくじょうけん確認かくにんする。
  2. 自由度じゆうどかぞえる。
  3. 一般化座標いっぱんかざひょう q1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],qnえらぶ。
  4. 位置いち速度そくどqi,qi˙く。
  5. 運動うんどうエネルギー T位置いちエネルギー Uく。
  6. ラグランジアン L=T-U から Euler-Lagrange 方程式ほうていしきつくる。

この順序じゅんじょまも理由りゆうは、ちからまえに、そもそもけいがどの方向ほうこううごけるのかを確定かくていするためである。

4整理せいり 1:自由度じゆうどは 1 である

ながいとにつながれた平面内へいめんないでは、拘束条件こうそくじょうけん x2+y2=2 のもとで自由度じゆうどは 1 である。

4.1証明しょうめい

平面内へいめんない質点しつてん位置いちは、拘束こうそくがなければ 2 つの座標ざひょう x,y指定していされる。しかしでは

x2+y2=2

たさなければならない。このしきにより、x,y独立どくりつではない。

角度かくど θもちいて

x=sinθ,y=-cosθ

くと、

x2+y2=2sin2θ+2cos2θ=2

であり、拘束条件こうそくじょうけん自動的じどうてきたされる。ぎゃくに、円周上えんしゅうじょうてん角度かくど θ指定していできる。したがって独立どくりつ座標ざひょうθ 1 つでり、自由度じゆうどは 1 である。

5関係式かんけいしき 2:はや

x=sinθ,y=-cosθくと、質点しつてんはやさの二乗にじょう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v2=2θ2˙

である。

5.1証明しょうめい

時間じかん微分びぶんすると、

x˙=θ˙cosθ,y˙=θ˙sinθ

である。したがって

v2=x2˙+y2˙

代入だいにゅうすると、

v2=2θ2˙cos2θ+2θ2˙sin2θ=2θ2˙

である。

6関係式かんけいしき 3:理想的りそうてきいと張力ちょうりょく仮想仕事かそうしごとをしない

ながさがわらない理想的りそうてきいと拘束こうそくされたでは、張力ちょうりょくゆるされた仮想変位かそうへんいたいして仕事しごとをしない。

6.1証明しょうめい

張力ちょうりょくいと方向ほうこう、つまりえん半径方向はんけいほうこうはたらく。一方いっぽう拘束条件こうそくじょうけん x2+y2=2やぶらない仮想変位かそうへんいは、円周えんしゅう沿接線方向せっせんほうこうである。

半径方向はんけいほうこう接線方向せっせんほうこう直交ちょっこうする。したがって張力ちょうりょくT仮想変位かそうへんいδr とすると、

T·δr=0

である。仮想仕事かそうしごとちから仮想変位かそうへんい内積ないせきだから、張力ちょうりょく仮想仕事かそうしごとは 0 である。

この事実じじつが、解析力学かいせきりきがく理想的りそうてき拘束力こうそくりょく直接ちょくせつかずにすむ理由りゆうである。

7具体例ぐたいれいのエネルギー

最下点さいかてん位置いちエネルギーの 0 とする。関係式かんけいしき 2 より、

T=12m2θ2˙

である。また最下点さいかてんからのたかさは

h=(1-cosθ)

なので、

U=mg(1-cosθ)

である。したがって

L=T-U=12m2θ2˙-mg(1-cosθ)

となる。

この L を Euler-Lagrange 方程式ほうていしきれると

m2θ¨+mgsinθ=0

られる。この方程式ほうていしきそのものの導出どうしゅつは、つぎ講義こうぎ作用さよう停留ていりゅうから証明しょうめいする。

8見分みわかた

  • 拘束条件こうそくじょうけん明示めいじされていたら、自由度じゆうどさきかぞえる。
  • 直交座標ちょっこうざひょう余分よぶんなら、角度かくど距離きょりなどの一般化座標いっぱんかざひょうえる。
  • 張力ちょうりょく垂直抗力すいちょくこうりょく拘束こうそくたもつだけなら、その方向ほうこう仮想変位かそうへんい直交ちょっこうするかを確認かくにんする。

9どこまで成立せいりつするか

ここであつかったのは、ながさが固定こていされたいとのような理想的りそうてき拘束こうそくである。摩擦まさつ空気抵抗くうきていこうのように運動うんどう沿ってエネルギーをうしなわせるちからは、L=T-U だけでは十分じゅうぶんあらわせない。非保存力ひほぞんりょくあつかうには、一般化力いっぱんかりょくなどの追加ついか必要ひつようになる。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]x=sinθ,y=-cosθ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]T=12m2θ2˙,U=mg(1-cosθ)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L=T-U

11一言ひとこと

解析力学かいせきりきがくでは、拘束条件こうそくじょうけんたす一般化座標いっぱんかざひょうえらび、余分よぶん反力はんりょくしきからしたかたち運動うんどうく。

12関連かんれんリンク

data/lecture/physics/analytical-mechanics/lagrangian-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/mechanical-constraints.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる