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重心系じゅうしんけいでの衝突しょうとつ

date2026-07-14document_iddoc_bd3927bf6c7e54988b8c9c17aa2a5992description二体衝突を重心系で見る理由を示し、重心速度、相対速度、換算質量、運動エネルギー分解を証明する講義である。prerequisites衝突と運動量保存 / 重心の基本 / 運動量と力積 / 仕事と力学的エネルギーtype講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/collisions-and-conservation-of-momentum.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/center-of-mass-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
physicsmechanicscenter-of-masscollisionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、2 物体ぶったい衝突しょうとつでは、全体ぜんたいとしてうご運動うんどうと、たがいにちかづいたりはなれたりする相対運動そうたいうんどうけると構造こうぞうえるという性質せいしつ説明せつめいする。

実験室系じっけんしつけいでは、2 物体ぶったいがどちらもうごいてえる。重心系じゅうしんけいうつると、全運動量ぜんうんどうりょうが 0 になり、衝突しょうとつ本当ほんとうわるのは相対速度そうたいそくどだけだとかる。

2用語ようご定義ていぎ

重心速度じゅうしんそくどcenter-of-mass velocity V は、1 次元じげんの 2 物体ぶったいについて

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]V=m1v1+m2v2m1+m2

定義ていぎする。

重心系じゅうしんけいcenter-of-mass frameとは、重心じゅうしん静止せいししてえる座標系ざひょうけいである。実験室系じっけんしつけい速度そくどvi とすると、重心系じゅうしんけいでの速度そくど

vi=vi-V

である。

相対速度そうたいそくどrelative velocity

u=v1-v2

である。

換算質量かんさんしつりょうreduced mass μ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]μ=m1m2m1+m2

定義ていぎする。

3方針ほうしん

重心系じゅうしんけい使つか理由りゆうは、衝突しょうとつを「全体ぜんたい並進へいしん」と「内部ないぶ相対運動そうたいうんどう」に分解ぶんかいできるからである。

  1. Vもとめる。
  2. v1=v1-V,v2=v2-Vなおす。
  3. 重心系じゅうしんけい反発係数はんぱつけいすう弾性だんせいむ。
  4. 必要ひつようなら最後さいごVして実験室系じっけんしつけいもどす。

4帰結きけつ 1:重心系じゅうしんけいでは全運動量ぜんうんどうりょうが 0

V=(m1v1+m2v2)/(m1+m2)定義ていぎし、vi=vi-Vくと、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]m1v1+m2v2=0

である。

4.1証明しょうめい

定義ていぎ代入だいにゅうすると、

m1(v1-V)+m2(v2-V)=m1v1+m2v2-(m1+m2)V

である。V定義ていぎより

(m1+m2)V=m1v1+m2v2

なので、

m1v1+m2v2=0

る。

5関係式かんけいしき 2:相対速度そうたいそくど座標系ざひょうけい一様移動いちよういどうわらない

v1=v1-V,v2=v2-V なら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v1-v2=v1-v2

である。

5.1証明しょうめい

左辺さへん計算けいさんすると、

v1-v2=(v1-V)-(v2-V)=v1-v2

である。したがって反発係数はんぱつけいすうのように相対速度そうたいそくどだけで定義ていぎされるりょうは、実験室系じっけんしつけいでも重心系じゅうしんけいでもおなじである。

6関係式かんけいしき 3:運動うんどうエネルギーの分解ぶんかい

2 物体ぶったい全運動ぜんうんどうエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]12m1v12+12m2v22=12(m1+m2)V2+12μ(v1-v2)2

分解ぶんかいできる。

6.1証明しょうめい

v1=V+v1v2=V+v2く。全運動ぜんうんどうエネルギーは

K=12m1(V+v1)2+12m2(V+v2)2

である。展開てんかいすると

K=12(m1+m2)V2+V(m1v1+m2v2)+12m1v12+12m2v22

である。帰結きけつ 1 より中央ちゅうおうこうは 0 である。

重心系じゅうしんけいでは m1v1+m2v2=0 なので、

v1=m2m1+m2(v1-v2),v2=-m1m1+m2(v1-v2)

である。これを代入だいにゅうすると、

12m1v12+12m2v22=12m1m2m1+m2(v1-v2)2=12μ(v1-v2)2

る。

7関係式かんけいしき 4:弾性衝突だんせいしょうとつ重心系じゅうしんけい速度そくど反転はんてんする

1 次元じげん弾性衝突だんせいしょうとつでは、重心系じゅうしんけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v1after=-v1before,v2after=-v2before

である。

7.1証明しょうめい

重心系じゅうしんけいでは全運動量ぜんうんどうりょうが 0 である。したがって衝突前しょうとつまえ衝突後しょうとつご

m1v1+m2v2=0

たす。弾性衝突だんせいしょうとつでは運動うんどうエネルギーも保存ほぞんするので、関係式かんけいしき 3 の内部ないぶエネルギー

12μ(v1-v2)2

保存ほぞんする。つまり相対速度そうたいそくどおおきさはわらない。衝突後しょうとつごちかづくきからはなれるきへわるため、相対速度そうたいそくど符号ふごうだけ反転はんてんする。重心系じゅうしんけいでは 2 速度そくど運動量うんどうりょう 0 の関係かんけいむすばれているため、各速度かくそくど符号ふごうだけ反転はんてんする。

8単位たんい確認かくにん

Vvi はどちらも

[m/s;LT-1]

である。換算質量かんさんしつりょう μ

m1m2m1+m2:M2M=M

なので質量しつりょう単位たんいをもつ。したがって 12μ(v1-v2)2[J;ML2T-2] である。

9具体例ぐたいれい同質量どうしつりょう弾性衝突だんせいしょうとつ

m1=m2=m とする。衝突前しょうとつまえv1=uv2=0 なら、

V=mu+m·02m=u2

である。重心系じゅうしんけいでは

v1=u2,v2=-u2

である。弾性衝突だんせいしょうとつでは反転はんてんするので、

v1after=-u2,v2after=u2

である。実験室系じっけんしつけいもどすために V=u/2すと、

v1after=0,v2after=u

となる。同質量どうしつりょう弾性衝突だんせいしょうとつ速度そくど交換こうかんされる理由りゆうである。

10見分みわかた

  • 2 物体ぶったい衝突しょうとつしき複雑ふくざつなら、重心系じゅうしんけいうつる。
  • 相対速度そうたいそくどだけがわれるなら、座標系ざひょうけいえてもあたいわらない。
  • 運動うんどうエネルギーの損失そんしつは、全体ぜんたい並進へいしんではなく内部ないぶ相対運動そうたいうんどうからる。

11どこまで成立せいりつするか

ここでは 1 次元じげんの 2 物体ぶったい衝突しょうとつあつかった。2 次元じげんでは、接触法線方向せっしょくほうせんほうこう接線方向せっせんほうこうける。反発係数はんぱつけいすう通常つうじょう接触法線方向せっしょくほうせんほうこう相対速度そうたいそくどたいして定義ていぎする。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]V=m1v1+m2v2m1+m2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vi=vi-V,m1v1+m2v2=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]K=12(m1+m2)V2+12μ(v1-v2)2

13一言ひとこと

重心系じゅうしんけいでは、衝突しょうとつ全体ぜんたい移動いどうではなく相対運動そうたいうんどう変化へんかとしてえる。

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