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角運動量の基本md 320129c
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角運動量かくうんどうりょうの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_d2186597e8acaf0a0947b1045deafef6description角運動量を位置ベクトルと運動量の外積として定義し、力のモーメントとの関係、保存条件、固定軸での L=Iω を証明する講義である。prerequisites運動量と力積 / 剛体のつり合いの基本 / 慣性モーメントの基本 / ベクトルの外積type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/moment-of-inertia-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/universal-gravitation-and-planetary-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
physicsmechanicsangular-momentumlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、回転かいてんについての運動量うんどうりょうは、単たんに mv ではなく基準点きじゅんてんの選択せんたくを含ふくむ量りょうであることを説明せつめいする。

直線運動ちょくせんうんどうでは、外力がいりょくがなければ運動量うんどうりょうが保存ほぞんする。回転運動かいてんうんどうでは、外力がいりょくの合計ごうけいではなく、外力がいりょくのモーメントがなければ角運動量かくうんどうりょうが保存ほぞんする。

2用語ようごと定義ていぎ

角運動量かくうんどうりょうangular momentum L→ とは、基準点きじゅんてんから物体ぶったいへの位置いちベクトルを r→、運動量うんどうりょうを p→=mv→ として

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L→=r→×p→

で定義ていぎする量りょうである。

外力がいりょくのモーメントtorque τ→ は

τ→=r→×F→

である。

中心力ちゅうしんりょくcentral forceとは、力ちからの向むきが常つねに基準点きじゅんてんと物体ぶったいを結むすぶ直線ちょくせんに沿そう力ちからである。

3方針ほうしん

角運動量かくうんどうりょうを使つかう理由りゆうは、回転かいてんの変化へんかを外力がいりょくのモーメントで測はかれるからである。

  1. 基準点きじゅんてんを決きめる。
  2. L→=r→×p→ を定義ていぎする。
  3. 時間じかんで微分びぶんして dL→/dt=τ→ を得える。
  4. τ→=0→ なら L→ が保存ほぞんする。

4整理せいり 1:角運動量かくうんどうりょうの時間変化じかんへんか

固定こていした基準点きじゅんてんを取とる。質点しつてんについて、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dL→dt=τ→

が成立せいりつする。

4.1証明しょうめい

定義ていぎより

L→=r→×p→

である。時間じかんで微分びぶんすると

dL→dt=dr→dt×p→+r→×dp→dt

である。ここで dr→/dt=v→、p→=mv→ なので

v→×p→=v→×mv→=0→

である。また Newton の運動方程式うんどうほうていしきより dp→/dt=F→ である。したがって

dL→dt=r→×F→=τ→

を得える。

5保存則ほぞんそく 2:角運動量保存かくうんどうりょうほぞん

外力がいりょくのモーメントが 0 なら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L→=const

である。

5.1証明しょうめい

整理せいり 1 より

dL→dt=τ→

である。τ→=0→ なら

dL→dt=0→

である。したがって L→ は時間じかんに依存いぞんせず一定いっていである。

6保存則ほぞんそく 3:中心力ちゅうしんりょくでは角運動量かくうんどうりょうが保存ほぞんする

力ちからが常つねに基準点きじゅんてんへ向むかう、または基準点きじゅんてんから離はなれる向むきなら、その基準点きじゅんてんまわりの角運動量かくうんどうりょうは保存ほぞんする。

6.1証明しょうめい

中心力ちゅうしんりょくでは F→ が r→ と平行へいこうである。したがって

τ→=r→×F→=0→

である。保存則ほぞんそく 2 より L→ は保存ほぞんする。

7整理せいり 4:固定軸こていじくでは L=Iω となる

固定軸こていじくまわりに剛体ごうたいが角速度かくそくど ω で回転かいてんしているとき、軸方向じくほうこうの角運動量かくうんどうりょうは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L=Iω

である。

7.1証明しょうめい

軸じくから距離きょり ri にある質点しつてん mi を考かんがえる。速はやさは

vi=riω

であり、運動量うんどうりょうの接線成分せっせんせいぶんは mivi である。この質点しつてんの軸方向じくほうこうの角運動量かくうんどうりょうの大おおきさは

Li=rimivi=miri2ω

である。全体ぜんたいで足たすと

L=∑imiri2ω=(∑imiri2)ω=Iω

を得える。

8単位たんいの確認かくにん

角運動量かくうんどうりょうは

r[m;L]×p[kgm/s;MLT-1]=L[kgm2/s;ML2T-1]

である。固定軸こていじくの Iω でも

I[kgm2;ML2]×ω[1/s;T-1]=[kgm2/s;ML2T-1]

となり一致いっちする。

9具体例ぐたいれい:半径はんけいが小ちいさくなる回転かいてん

外力がいりょくのモーメントが無視むしできる人ひとが回転かいてんしている。腕うでを縮ちぢめて慣性かんせいモーメントが I1 から I2 に小ちいさくなったとする。角運動量保存かくうんどうりょうほぞんより

I1ω1=I2ω2

である。したがって

ω2=I1I2ω1

となる。I2<I1 なら ω2>ω1 であり、回転かいてんは速はやくなる。

10見分みわけ方かた

  • 中心力ちゅうしんりょく、惑星運動わくせいうんどう、回転かいてんする物体ぶったいが出でたら、角運動量かくうんどうりょうを見みる。
  • 外力がいりょくの合力ごうりょくではなく、外力がいりょくのモーメントが 0 かを確認かくにんする。
  • L=Iω は固定軸こていじくまたは対称軸たいしょうじくまわりの簡約形かんやくけいである。
  • 基準点きじゅんてんを変かえると L→ も τ→ も変かわる。どの点てんまわりかを書かく。

11どこまで成立せいりつするか

dL→/dt=τ→ は、固定こていした慣性系かんせいけいの基準点きじゅんてんまわりで使つかう。重心じゅうしんを基準点きじゅんてんに取とる場合ばあいにも適切てきせつに成立せいりつするが、加速かそくする任意にんいの点てんを基準きじゅんにすると追加項ついかこうが必要ひつようになる。一般いっぱんの 3 次元じげん剛体ごうたいでは、L→=Iω→ ではなく L→=Iω→ と書かく。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L→=r→×p→
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dL→dt=τ→
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τ→=0→⇒L→=const
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L=Iω

13一言ひとこと

角運動量かくうんどうりょうは、回転かいてんについての運動量うんどうりょうである。変かえるものは力ちからそのものではなく、力ちからのモーメントである。

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