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保存則の導出md 20e5c40
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保存則ほぞんそく導出どうしゅつ

date2026-07-14document_iddoc_7ec5cc865ba096b88e9f42119f5bb6e3description運動量保存、エネルギー保存、角運動量保存を、運動方程式に対する和・変位との内積・位置ベクトルとの外積として導出し、使い分けを整理する発展講義である。prerequisites運動量と力積 / 仕事と力学的エネルギー / 角運動量の基本 / 万有引力と惑星運動type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/momentum-and-impulse.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/angular-momentum-basics.lecture.n.md
physicsmechanicsconservation-lawslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、保存則ほぞんそく別々べつべつ公式こうしきとしておぼえるのではなく、運動方程式うんどうほうていしきにどの操作そうさほどこすとどの保存量ほぞんりょうあらわれるかで整理せいりする方法ほうほう説明せつめいする。

出発点しゅっぱつてん

dpdt=F

である。これを粒子りゅうしについてせば運動量うんどうりょう変位へんい内積ないせきすればエネルギー、位置いちベクトルと外積がいせきすれば角運動量かくうんどうりょうる。

2用語ようご定義ていぎ

保存量ほぞんりょうconserved quantityとは、時間じかんわってもあたいわらないりょうである。

全運動量ぜんうんどうりょうtotal momentum

P=ipi=imivi

である。

力学的りきがくてきエネルギーmechanical energy

E=K+U

である。

全角運動量ぜんかくうんどうりょうtotal angular momentum

L=iri×pi

である。

3方針ほうしん

保存則ほぞんそく使つかうときは、まず「どのりょうわらない可能性かのうせいがあるか」をる。

  1. 外力がいりょく合力ごうりょくが 0 なら、運動量うんどうりょうる。
  2. 非保存力ひほぞんりょく仕事しごとが 0 なら、力学的りきがくてきエネルギーをる。
  3. 外力がいりょくのモーメントが 0 なら、角運動量かくうんどうりょうる。

4保存則ほぞんそく 1:全運動量ぜんうんどうりょう保存ほぞん

多粒子系たりゅうしけいで、外力がいりょく合計ごうけいが 0 なら、

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

である。

4.1証明しょうめい

粒子りゅうし i について

dpidt=Fi

である。ちから外力がいりょく内力ないりょくけて全粒子ぜんりゅうしすと、

ddtipi=iFi,ext+iFi,int

である。内力ないりょく作用反作用さようはんさようくみうので、

iFi,int=0

である。したがって

dPdt=iFi,ext

である。外力がいりょく合計ごうけいが 0 なら dP/dt=0 なので、P保存ほぞんする。

5保存則ほぞんそく 2:力学的りきがくてきエネルギーの保存ほぞん

保存力ほぞんりょくだけが仕事しごとをし、非保存力ひほぞんりょく仕事しごとが 0 なら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]K+U=const

である。

5.1証明しょうめい

仕事しごと運動うんどうエネルギーの定理ていりより、

ΔK=Wcons+Wnc

である。位置いちエネルギーの定義ていぎより、保存力ほぞんりょく仕事しごと

Wcons=-ΔU

である。したがって

ΔK=-ΔU+Wnc

である。整理せいりすると

Δ(K+U)=Wnc

である。Wnc=0 なら Δ(K+U)=0 なので、K+U保存ほぞんする。

6保存則ほぞんそく 3:角運動量かくうんどうりょう保存ほぞん

外力がいりょくごうモーメントが 0 なら、

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

である。

6.1証明しょうめい

角運動量かくうんどうりょう基本きほんより、固定こていした基準点きじゅんてんまわりで

dLdt=τext

である。内力ないりょくのモーメントは、作用反作用さようはんさよう同一直線上どういつちょくせんじょうはたら通常つうじょう質点系しつてんけいではついごとに相殺そうさいされる。よって外力がいりょくごうモーメントが 0 なら

dLdt=0

であり、L保存ほぞんする。

7保存則ほぞんそく 4: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保存ほぞんする

ちからつね中心ちゅうしんかうなら、その中心ちゅうしんまわりの角運動量かくうんどうりょう保存ほぞんする。

7.1証明しょうめい

中心力ちゅうしんりょくでは

Fr

である。したがって

τ=r×F=0

である。保存則ほぞんそく 3 より角運動量かくうんどうりょう保存ほぞんする。

8単位たんい確認かくにん

運動量うんどうりょう

[kgm/s;MLT-1]

である。力学的りきがくてきエネルギーは

[J;ML2T-2]

である。角運動量かくうんどうりょう

[kgm2/s;ML2T-1]

である。これらはたがいにべつ次元じげんをもつため、おなしきわせることはできない。

9使つかけのひょう

条件じょうけん保存ほぞんするりょう代表例だいひょうれい
Fext=0P衝突しょうとつ爆発ばくはつ
Wnc=0K+U落下らっか、ばね、摩擦まさつなしの斜面しゃめん
τext=0L中心力ちゅうしんりょく回転かいてんするひと

10具体例ぐたいれい惑星わくせい運動うんどう

太陽たいよう重力じゅうりょくだけをける惑星わくせいかんがえる。ちから太陽たいようかう中心力ちゅうしんりょくなので、太陽たいようまわりの角運動量かくうんどうりょう保存ほぞんする。また万有引力ばんゆういんりょく保存力ほぞんりょくなので、力学的りきがくてきエネルギーも保存ほぞんする。

ただし、運動量うんどうりょう一般いっぱんには保存ほぞんしない。惑星わくせいだけをけいると、太陽たいようからの外力がいりょくはたらくからである。太陽たいよう惑星わくせい一体いったいけいれば、内力ないりょくとして相殺そうさいし、全運動量ぜんうんどうりょう保存ほぞんする。

11見分みわかた

  • 短時間たんじかん衝突しょうとつなら、外力がいりょく力積りきせきちいさいので運動量うんどうりょうる。
  • 始点してん終点しゅうてんはやさやたかさなら、エネルギーをる。
  • 中心力ちゅうしんりょく回転かいてんなら、角運動量かくうんどうりょうる。
  • 保存則ほぞんそく複数ふくすう使つかうときは、それぞれの成立条件せいりつじょうけん別々べつべつ確認かくにんする。

12どこまで成立せいりつするか

保存則ほぞんそくは、近似きんじとして使つか場合ばあいもある。衝突しょうとつでは外力がいりょく力積りきせきが 0 でなければ厳密げんみつ運動量保存うんどうりょうほぞんではない。摩擦まさつがあれば力学的りきがくてきエネルギーは保存ほぞんしない。角運動量かくうんどうりょうも、外力がいりょくのモーメントがあれば変化へんかする。

13最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Fext=0P=const
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Wnc=0K+U=const
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τext=0L=const

14一言ひとこと

保存則ほぞんそく魔法まほう公式こうしきではない。運動方程式うんどうほうていしきす、内積ないせきする、外積がいせきすることであらわれる。

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