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力学ポータルmd 01b986d
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力学りきがくポータル

portalphysicsmechanicslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、力学りきがくmechanics公式こうしき集合しゅうごうとしてではなく、目的もくてきおうじて記述量きじゅつりょうえら体系たいけいとして解説かいせつする。

途中とちゅう加速度かそくど張力ちょうりょくりたいなら、自由体図じゆうたいずfree-body diagram運動方程式うんどうほうていしき使つかう。始点してん終点しゅうてんはやさだけをむすびたいなら、仕事しごとエネルギーenergy使つかう。衝突しょうとつ前後ぜんごなら運動量うんどうりょうmomentumる。回転かいてんふくむならトルクtorque角運動量かくうんどうりょうangular momentum視点してんうつす。

2用語ようご定義ていぎ

質点しつてんparticleとは、おおきさを無視むしし、質量しつりょうが 1 てん集中しゅうちゅうしているとなしたモデルmodelである。直線運動ちょくせんうんどう衝突しょうとつ入口いりぐちでは、まず質点しつてんとしてあつかう。

剛体ごうたいrigid bodyとは、変形へんけい無視むしし、物体ぶったい各点かくてん距離きょりわらないとなした物体ぶったいである。回転かいてんいをあつかうときに使つかう。

けいsystemとは、考察こうさつ対象たいしょうとしてえら物体ぶったいあつまりである。けいえると、内力ないりょく外力がいりょく区別くべつわる。

3方針ほうしん

力学りきがく問題もんだいでは、最初さいしょつぎひょう方針ほうしんえらぶ。

もとめたいものりょうすすむページ
加速度かそくど張力ちょうりょく垂直抗力すいちょくこうりょくちから運動方程式うんどうほうていしきちからいと運動うんどう法則ほうそく
時刻じこくごとの位置いち速度そくど運動学うんどうがく三段構造さんだんこうぞう直線運動ちょくせんうんどう落下運動らっかうんどう
始点してん終点しゅうてんはや仕事しごととエネルギー仕事しごと力学的りきがくてきエネルギー
衝突前後しょうとつぜんご速度そくど運動量うんどうりょう力積りきせき運動量うんどうりょう力積りきせき
ぼう回転かいてんころがりトルクtorque角運動量かくうんどうりょう回転運動かいてんうんどう基本きほん

この選択せんたく固定こていではない。複合問題ふくごうもんだいでは、場面ばめんごとに方針ほうしんえる。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

力学りきがくでは、おな現象げんしょう複数ふくすう見方みかためる。斜面しゃめんすべ物体ぶったい加速度かそくどりたいならちから分解ぶんかいする。斜面しゃめんしたでのはやさだけが必要ひつようなら、重力じゅうりょく仕事しごと運動うんどうエネルギーを比較ひかくするほうがみじかい。

つまり重要じゅうようなのは、どの法則ほうそくっているかではなく、どのりょう保存ほぞんまたは変化へんかとして追跡ついせきすると問題もんだいみじかくなるかについて説明せつめいする。

5読書どくしょルート

5.1ルートA:ちからからはじめる本線ほんせん

data/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/linear-motion-and-free-fall.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/inclines-friction-and-springs.lecture.n.md

5.2ルートB:保存則ほぞんそく前後ぜんご比較ひかくする

data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md data/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/deriving-conservation-laws.lecture.n.md

5.3ルートC:回転かいてん剛体ごうたいすす

data/lecture/physics/mechanics/center-of-mass-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/rotational-motion-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/moment-of-inertia-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/angular-momentum-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/rigid-body-equilibrium-basics.lecture.n.md

6厳密げんみつ説明せつめい法則ほうそく関係かんけい

ここでは保存則ほぞんそく未定義みていぎ公式こうしきとして使つかわないため、仮定かていりょうさきく。慣性系かんせいけい質量しつりょう m一定いってい質点しつてんかんがえ、F自由体図じゆうたいず列挙れっきょした外力がいりょく合力ごうりょくとする。力学りきがく中心ちゅうしんにあるしき

F=ma

である。

運動量うんどうりょうmomentum

p=mv

定義ていぎし、力積りきせきimpulse

J=t1t2Fdt

定義ていぎする。a=dv/dt だから

F=mdvdt=dpdt

である。したがって時間じかん積分せきぶんすると

J=t1t2Fdt=t1t2dpdtdt=p2-p1

る。これが力積りきせき運動量うんどうりょう関係かんけいである。

また、運動うんどうエネルギーkinetic energy

K=12m|v|2

定義ていぎし、仕事しごとwork

W=r1r2F·dr

定義ていぎする。両辺りょうへん速度そくど v=dr/dt内積ないせきすると、

F·v=mdvdt·v=ddt(12m|v|2)=dKdt

である。よって時間じかん積分せきぶんすれば

W=t1t2F·vdt=t1t2dKdtdt=K2-K1

る。これが仕事しごと運動うんどうエネルギーの関係かんけいである。

したがって、仕事しごと・エネルギー・運動量うんどうりょうは、運動方程式うんどうほうていしき無関係むかんけい別公式べつこうしきではない。おな合力ごうりょくしきを、変位へんい積分せきぶんするか、時間じかん積分せきぶんするかのちがいである。

7見分みわかた

  • 途中とちゅうちから加速度かそくどわれたら、運動方程式うんどうほうていしきえらぶ。
  • 始点してん終点しゅうてんたかさ・はやさが中心ちゅうしんなら、エネルギーをえらぶ。
  • 短時間たんじかん衝突しょうとつなら、ちからそのものより力積りきせきえらぶ。
  • 回転軸かいてんじく支点してん重要じゅうようなら、トルクtorque角運動量かくうんどうりょうえらぶ。

8どこまで成立せいりつするか

このポータルは質点力学しつてんりきがくから剛体ごうたい入口いりぐちまでをあつかう。連続体れんぞくたい相対論そうたいろん量子力学りょうしりきがくでは、質点しつてん剛体ごうたい同時刻どうじこくなどの仮定かていわるため、おなしきをそのまま拡張かくちょうしてはならない。

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]力を局所的に追うならF=ma
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]変位で積分すれば仕事とエネルギー、時間で積分すれば力積と運動量

10一言ひとことでいうと

力学りきがくでは、りたいりょうおうじて、ちから・エネルギー・運動量うんどうりょう回転かいてん見方みかた選択せんたくする。

11演習えんしゅうリンク

data/exercise/physics/mechanics/linear-motion-and-free-fall.exercise.n.md

12関連かんれんリンク

data/lecture/physics/physics-portal.lecture.n.md data/lecture/physics/foundation/physics-foundations-portal.lecture.n.md
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