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束縛条件そくばくじょうけん

date2026-07-14document_iddoc_ff832ab36c3f2816372b5c8a2bad88cfdescription伸びない糸、滑車、すべりなし転がり、接触条件を、幾何条件を微分して速度条件・加速度条件へ移す方法として証明付きで整理する講義である。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 回転運動の基本 / 慣性モーメントの基本 / 保存則の導出type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/inclines-friction-and-springs.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/rotational-motion-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/moment-of-inertia-basics.lecture.n.md
physicsmechanicsconstraintsrollinglecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、束縛条件そくばくじょうけんは力ちからの法則ほうそくではなく、位置いちや速度そくどの関係式かんけいしきだという性質せいしつを説明せつめいする。

伸のびない糸いと、滑車かっしゃ、すべりなし転ころがり、面めんとの接触せっしょくでは、各物体かくぶったいの座標ざひょうを独立どくりつに動うごかせない。まず幾何学きかがくから長ながさや接触せっしょくの条件じょうけんを書かき、それを時間じかんで微分びぶんして速度条件そくどじょうけん・加速度条件かそくどじょうけんを作つくる。

2用語ようごと定義ていぎ

束縛条件そくばくじょうけんconstraint conditionとは、座標ざひょう、速度そくど、加速度かそくどの間あいだに課かされる関係式かんけいしきである。

自由度じゆうどdegree of freedomとは、系けいの状態じょうたいを決きめるために独立どくりつに選えらべる量りょうの数かずである。

すべりなし転ころがり、すなわち rolling without slipping とは、接触点せっしょくてんで物体ぶったいと床ゆかの相対速度そうたいそくどが 0 である運動うんどうである。

接触条件せっしょくじょうけんcontact conditionとは、面めんが物体ぶったいを押おす垂直抗力すいちょくこうりょくが負ふになれないという条件じょうけんである。

仮想変位かそうへんいvirtual displacementとは、時刻じこくを固定こていしたまま、束縛条件そくばくじょうけんを破やぶらない微小びしょうな変位へんいを考かんがえたものである。

理想束縛力りそうそくばくりょくideal constraint forceとは、許ゆるされた仮想変位かそうへんいに対たいして全体ぜんたいとして仕事しごとをしない束縛力そくばくりょくである。この講義こうぎでは、質量しつりょうのない伸のびない糸いと、摩擦まさつのない軽かるい滑車かっしゃ、なめらかな面めんを理想化りそうかとして扱あつかう。

3方針ほうしん

束縛条件そくばくじょうけんでは、いきなり加速度かそくどを暗記あんきしない。

  1. 動うごく長ながさや接触点せっしょくてんを図ずから決きめる。
  2. 位置いちの関係式かんけいしきを書かく。
  3. 一回いっかい微分びぶんして速度条件そくどじょうけんにする。
  4. 必要ひつようならもう一回いっかい微分びぶんして加速度条件かそくどじょうけんにする。
  5. 運動方程式うんどうほうていしき、回転かいてんの式しき、保存則ほぞんそくと連立れんりつする。

4条件じょうけん 1:伸のびない糸いとの長ながさ条件じょうけん

伸のびない糸いとの全長ぜんちょうが

x1+x2+ℓ0=L

と書かけるなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v1+v2=0,a1+a2=0

である。

4.1証明しょうめい

L と ℓ0 は一定いっていである。したがって

x1+x2+ℓ0=L

を時間じかんで微分びぶんすると

dx1dt+dx2dt=0

である。つまり

v1+v2=0

である。さらに微分びぶんして

a1+a2=0

を得える。符号ふごうは座標ざひょうの取とり方かたで決きまる。大おおきさだけを比くらべると、典型的てんけいてきな定滑車じょうかっしゃでは 2 物体ぶったいの加速度かそくどの大おおきさは等ひとしい。

5整理せいり 2:動滑車どうかっしゃでは端はしの変位へんいが 2 倍ばいになる

荷物にもつを 2 本ほんの糸いとが支ささえる理想的りそうてきな動滑車どうかっしゃで、荷物にもつの変位へんいを x、引ひく端はしの変位へんいを y とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]y=2x,vy=2vx,ay=2ax

である。

5.1証明しょうめい

荷物にもつが距離きょり x だけ上あがると、荷物にもつを支ささえる 2 本ほんの糸いとの部分ぶぶんがそれぞれ x ずつ短みじかくなる。したがって糸いとの全長ぜんちょうを保たもつには、引ひく端はしが

y=2x

だけ動うごく必要ひつようがある。時間じかんで微分びぶんして

vy=2vx

さらに微分びぶんして

ay=2ax

を得える。

6条件じょうけん 3:すべりなし転ころがりの条件じょうけん

半径はんけい R の物体ぶったいが水平面すいへいめんをすべらずに転ころがるとする。右向みぎむきの重心速度じゅうしんそくどを正せい、時計回とけいまわりの角速度かくそくどを正せいに取とるなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vcm=Rω,acm=Rα

である。

6.1証明しょうめい

床ゆかとの接触点せっしょくてんがすべらないとは、接触点せっしょくてんの床ゆかに対たいする速度そくどが 0 であることを意味いみする。

上うえの符号規約ふごうきやくでは、接触点せっしょくてんの速度そくどは、重心じゅうしんの並進速度へいしんそくど vcm と、回転かいてんによる接触点せっしょくてんの後向うしろむきの速度そくど Rω の和わである。すべりなしより

vcm-Rω=0

である。したがって

vcm=Rω

である。時間じかんで微分びぶんすれば

acm=Rα

を得える。

7条件じょうけん 4:接触せっしょくが保たもたれる条件じょうけん

面めんが物体ぶったいを押おす垂直抗力すいちょくこうりょくを N とする。接触せっしょくが保たもたれるためには

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

が必要ひつようである。もし運動方程式うんどうほうていしきから N<0 が出でるなら、その接触せっしょくは外はずれている。

7.1証明しょうめい

面めんは物体ぶったいを押おすことはできるが、引ひくことはできない。垂直抗力すいちょくこうりょくは面めんから物体ぶったいへの押おす力ちからなので、大おおきさは負ふになれない。

計算上けいさんじょう N<0 が出でるとは、面めんが物体ぶったいを引ひかなければ仮定かていした軌道きどうを保たもてないという性質せいしつを説明せつめいする。しかし面めんは引ひけないので、物体ぶったいは面めんから離はなれる。したがって接触せっしょくが保たもたれる境界きょうかいは N=0 である。

8関係式かんけいしき 5:理想束縛りそうそくばくの力ちからは仮想仕事かそうしごとをしない

質量しつりょうのない伸のびない糸いと、摩擦まさつのない軽かるい滑車かっしゃ、なめらかな面めんという理想化りそうかのもとでは、張力ちょうりょくや垂直抗力すいちょくこうりょくのような理想束縛力りそうそくばくりょくは、許ゆるされた仮想変位かそうへんいに対たいして全体ぜんたいとして仕事しごとをしない。

8.1証明しょうめい

なめらかな面めんでは、物体ぶったいが取とれる仮想変位かそうへんい dr→ は面めんに沿そう方向ほうこうである。垂直抗力すいちょくこうりょくは面めんに垂直すいちょくなので、内積ないせきは

N→·dr→=0

である。伸のびない糸いとでは、同おなじ糸いとの張力ちょうりょくの大おおきさを T とする。糸いとが質量しつりょうをもたず、滑車かっしゃが摩擦まさつをもたなければ、各部分かくぶぶんの張力ちょうりょくの大おおきさは同おなじである。伸のびない条件じょうけんより、糸いとに沿そった仮想変位かそうへんいの和わは 0 である。したがって張力ちょうりょくの仮想仕事かそうしごとは

T∑iδsi=0

である。よって、これらの理想化りそうかのもとでは束縛力そくばくりょくの仮想仕事かそうしごとは全体ぜんたいとして消きえる。

9単位たんいの確認かくにん

すべりなし転ころがりでは

Rω:[m;L][1/s;T-1]=[m/s;LT-1]

であり、速度そくどの単位たんいになる。また

Rα:[m;L][1/s2;T-2]=[m/s2;LT-2]

であり、加速度かそくどの単位たんいになる。

10具体例ぐたいれい:すべりなしで斜面しゃめんを転ころがる円柱えんちゅう

質量しつりょう M、半径はんけい R の一様円柱いちようえんちゅうが、高たかさ h からすべらずに転ころがる。摩擦まさつは静止摩擦せいしまさつなので、接触点せっしょくてんでは仕事しごとをしない。力学的りきがくてきエネルギー保存ほぞんより

Mgh=12Mv2+12IGω2

である。一様円柱いちようえんちゅうでは IG=12MR2、すべりなしより v=Rω なので、

Mgh=12Mv2+12·12MR2·v2R2=34Mv2

である。したがって

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=4gh3

を得える。

11見分みわけ方かた

  • 糸いとが伸のびないなら、全長ぜんちょうを書かいて微分びぶんする。
  • 動滑車どうかっしゃなら、支ささえる糸いとの本数ほんすうだけ変位へんいの比ひが出でる。
  • すべりなしなら、接触点せっしょくてんの相対速度そうたいそくど 0 から v=Rω を出だす。
  • 面めんから離はなれるかどうかは、N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 を確認かくにんする。

12どこまで成立せいりつするか

束縛条件そくばくじょうけんは仮定かていである。糸いとが伸のびる、滑車かっしゃに質量しつりょうがある、摩擦まさつが不足ふそくしてすべる、接触せっしょくが外はずれる、といった場合ばあいには条件じょうけんを更新こうしんしなければならない。すべりなし転ころがりは、静止摩擦せいしまさつが十分じゅうぶんに働はたらく範囲はんいでだけ成立せいりつする。

13最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]x1+x2+ℓ0=L⇒v1+v2=0,a1+a2=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vcm=Rω,acm=Rα

ただし、この式しきは右向みぎむきの並進へいしんと時計回とけいまわりの回転かいてんを同おなじ正せいにした符号規約ふごうきやくでの形かたちである。大おおきさだけなら |vcm|=R|ω|、|acm|=R|α| である。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

14一言ひとこと

束縛条件そくばくじょうけんは、力ちからの式しきではなく幾何きかの式しきである。位置いちで書かいてから微分びぶんする。

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