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重心の基本md d236636
lecture/physics/mechanics/center-of-mass-basics.lecture.n.md
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重心じゅうしん基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_499289dcc6ddedb631710d57c17e7e9ddescription重心を質量で重みづけした代表点として定義し、内力が消えて外力だけが重心運動を決めることを証明する講義である。prerequisites運動方程式 / 運動量と力積 / ベクトルの基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/momentum-and-impulse.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/collisions-and-conservation-of-momentum.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/collisions-in-the-center-of-mass-frame.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/rigid-body-equilibrium-basics.lecture.n.md
physicsmechanicscenter-of-masslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、複数ふくすう物体ぶったいひろがった物体ぶったいを、並進運動へいしんうんどうだけに注目ちゅうもくして 1 てん集約しゅうやくする方法ほうほう説明せつめいする。そのてん重心じゅうしんcenter of massである。

重心じゅうしん使つか理由りゆうは、内部ないぶでどれだけ複雑ふくざつちからはたらいても、けい全体ぜんたい重心じゅうしん運動うんどう外力がいりょくだけでまるからである。

2用語ようご定義ていぎ

n 質点しつてんがあり、質量しつりょうmi位置いちri であるとする。全質量ぜんしつりょう

M=i=1nmi

く。重心じゅうしん R

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]R=1Mi=1nmiri

定義ていぎする。

連続体れんぞくたいでは、積分せきぶんえて

R=1Mrdm

く。

3方針ほうしん

重心じゅうしんでは、位置いちそのものを単純たんじゅん平均へいきんしない。質量しつりょうおもみづけする。おも部分ぶぶんほど重心じゅうしんつよせる。

問題もんだいではつぎ順序じゅんじょかんがえる。

  1. 質量しつりょう位置いちひょうにする。
  2. miriつくる。
  3. 全質量ぜんしつりょう Mる。
  4. 対称性たいしょうせいがあれば、計算けいさんまえ使つかう。
  5. 運動うんどう調しらべる場合ばあいは、MR¨=Fext使つかう。

4整理せいり 1:ふたつの質点しつてん重心じゅうしん

1 次元じげんで、質量しつりょう m1,m2質点しつてん位置いち x1,x2 にあるとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]xG=m1x1+m2x2m1+m2

である。重心じゅうしんおも質点しつてんがわる。

4.1証明しょうめい

重心じゅうしん定義ていぎn=2代入だいにゅうするだけで

xG=m1x1+m2x2m1+m2

る。距離きょりるため、x1<xG<x2 とする。このとき

xG-x1=m2(x2-x1)m1+m2
x2-xG=m1(x2-x1)m1+m2

である。したがって

xG-x1x2-xG=m2m1

であり、おもがわほど距離きょりみじかい。

5方程式ほうていしき 2:重心じゅうしん運動方程式うんどうほうていしき

多粒子系たりゅうしけいについて

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]MR¨=Fexttot

成立せいりつする。重心じゅうしん加速かそくするのは外力がいりょく合力ごうりょくだけである。

5.1証明しょうめい

定義ていぎより

MR=imiri

である。両辺りょうへん時間じかんで 2 かい微分びぶんすると

MR¨=imiri¨

となる。i 番目ばんめ質点しつてんに Newton のだい 2 法則ほうそく使つかうと

miri¨=Fiext+Fiint

である。よって

MR¨=iFiext+iFiint

となる。内力ないりょく作用反作用さようはんさようついとしておなおおきさで逆向ぎゃくむきにあらわれるため、すべすと

iFiint=0

である。したがって

MR¨=iFiext=Fexttot

る。

6関係式かんけいしき 3:重心速度じゅうしんそくど全運動量ぜんうんどうりょう

重心速度じゅうしんそくどR˙ とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P=MR˙

である。

6.1証明しょうめい

重心じゅうしん定義ていぎ

MR=imiri

時間じかん微分びぶんする。

MR˙=imiri˙

ri˙=vi なので

MR˙=imivi=ipi=P

である。

7単位たんい確認かくにん

重心じゅうしん位置いち

miriM

である。miri[kgm;ML]M[kg;M] なので、結果けっか[m;L] になる。

重心じゅうしん運動方程式うんどうほうていしきでは

M[kg;M]×R¨[m/s2;LT-2]MR¨[N;MLT-2]

であり、外力がいりょく合力ごうりょくおな単位たんいである。

8具体例ぐたいれい 1:ふたつの質点しつてん

x=0質量しつりょう mx=3a質量しつりょう 2m がある。このとき

xG=m·0+2m·3a3m=2a

である。重心じゅうしんおも質点しつてんがわる。

9具体例ぐたいれい 2:あなあきいた

一様いちよういたから一部いちぶいたかたちでは、いた部分ぶぶん質量しつりょうとしてあつかう。もといた質量しつりょうM0重心じゅうしんR0あな相当そうとうする部分ぶぶん質量しつりょうm重心じゅうしんR1 とすると、

R=M0R0-mR1M0-m

である。重心じゅうしんしき質量しつりょうについて線形せんけいなので、このざん使つかえる。

10見分みわかた

  • 質量分布しつりょうぶんぷを 1 てん代表だいひょうさせたいなら、重心じゅうしん使つかう。
  • 対称性たいしょうせいがあるなら、重心じゅうしん対称軸たいしょうじく対称面たいしょうめんうえにある。
  • 衝突しょうとつ分裂ぶんれつ外力がいりょく力積りきせき無視むしできるなら、重心速度じゅうしんそくど一定いっていである。
  • 重心じゅうしんかっても、回転かいてん内部変形ないぶへんけいまでまるわけではない。

11どこまで成立せいりつするか

重心じゅうしん運動方程式うんどうほうていしきは、内力ないりょく作用反作用さようはんさようついとして相殺そうさいする範囲はんい使つかう。このしき記述きじゅつするのは並進運動へいしんうんどうであり、回転運動かいてんうんどう角運動量かくうんどうりょうトルクtorqueべつあつかう。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]R=imiriimi
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]MR¨=Fexttot
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P=MR˙

13一言ひとことでいうと

重心じゅうしん質量しつりょうおもみづけした代表点だいひょうてんであり、けい全体ぜんたい並進運動へいしんうんどうだけを外力がいりょくむためのてんである。

14関連かんれんリンク

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