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万有引力と惑星運動md f580a16
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万有引力ばんゆういんりょくと惑星運動わくせいうんどう

date2026-07-14document_iddoc_5d596410cb6c0208537e6b16bacca6c7description万有引力を中心力として定義し、地表付近の重力、円軌道速度、脱出速度、面積速度一定、ケプラー第三法則の円軌道版を証明する講義である。prerequisites円運動と単振動 / 仕事と力学的エネルギー / 角運動量の基本 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/angular-momentum-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
physicsmechanicsgravitationorbitlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、地表ちひょうの落下らっかと惑星わくせいの運動うんどうを別々べつべつの現象げんしょうとして共通きょうつうする法則ほうそくを説明せつめいする。本体ほんたいは、質量しつりょうをもつ物体ぶったいどうしに働はたらく中心力ちゅうしんりょくである。

地表付近ちひょうふきんでは重力じゅうりょくを mg と書かく。天体てんたいの距離きょりが大おおきく変かわる問題もんだいでは、

F=GMmr2

を使つかう。mg は万有引力ばんゆういんりょくの地表付近ちひょうふきんでの近似きんじである。

2用語ようごと定義ていぎ

万有引力ばんゆういんりょくuniversal gravitationとは、質量しつりょう M と m の間あいだに距離きょり r で働はたらく引力いんりょくであり、大おおきさは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=GMmr2

である。G は万有引力定数ばんゆういんりょくていすうである。

重力加速度じゅうりょくかそくどgravitational acceleration g(r) は、質量しつりょう m の物体ぶったいが万有引力ばんゆういんりょくによって受うける加速度かそくどである。

g(r)=GMr2

円軌道速度えんきどうそくどcircular orbital speedとは、半径はんけい r の円軌道えんきどうを保たもつための速はやさである。

脱出速度だっしゅつそくどescape speedとは、無限遠むげんえんまで到達とうたつしても速はやさが 0 以上いじょうでいられる最小さいしょうの初速度しょそくどである。

3方針ほうしん

万有引力ばんゆういんりょくの問題もんだいでは、問とわれている量りょうで道具どうぐを選えらぶ。

  1. 地表付近ちひょうふきんの落下らっかなら g≃GM/R2 と近似きんじする。
  2. 円軌道えんきどうなら、万有引力ばんゆういんりょくを向心力こうしんりょくに等ひとしくする。
  3. 脱出だっしゅつや軌道きどうの束縛そくばくなら、力学的りきがくてきエネルギーを見みる。
  4. 面積速度めんせきそくどなら、中心力ちゅうしんりょくによる角運動量保存かくうんどうりょうほぞんを使つかう。

4近似きんじ 1:mg は万有引力ばんゆういんりょくの地表付近ちひょうふきんでの近似きんじ

半径はんけい R、質量しつりょう M の天体てんたいの表面付近ひょうめんふきんでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]g≃GMR2

である。

4.1証明しょうめい

中心ちゅうしんからの距離きょりを r とすると、万有引力ばんゆういんりょくの大おおきさは

F=GMmr2

である。運動方程式うんどうほうていしき ma=F より、

a=GMr2

である。これを g(r) と書かく。地表付近ちひょうふきんでは r=R+h で、h≪R なら r≃R とみなせる。したがって

g(r)=GM(R+h)2≃GMR2

である。

5関係式かんけいしき 2:円軌道速度えんきどうそくど

質量しつりょう M の天体てんたいを固定こていできる、または m≪M とみなせるとする。その天体てんたいのまわりを、質量しつりょう m の物体ぶったいが半径はんけい r の円軌道えんきどうで回まわるとき、

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

である。

5.1証明しょうめい

中心天体ちゅうしんてんたいを固定こていできる、または m≪M とみなせるので、物体ぶったい m の円軌道えんきどうだけを考かんがえる。円軌道えんきどうでは、中心向ちゅうしんむきの合力ごうりょくが

mv2r

でなければならない。万有引力ばんゆういんりょくがその向心力こうしんりょくの役割やくわりを果はたすので、

GMmr2=mv2r

である。m>0、r>0 なので整理せいりして

v2=GMr

を得える。よって

v=GMr

である。

6関係式かんけいしき 3:万有引力ばんゆういんりょくの位置いちエネルギー

無限遠むげんえんで U=0 と選えらぶと、万有引力ばんゆういんりょくの位置いちエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U(r)=-GMmr

である。

6.1証明しょうめい

半径方向はんけいほうこうの外向そとむきを正せいとする。万有引力ばんゆういんりょくは中心向ちゅうしんむきなので

Fr=-GMmr2

である。位置いちエネルギーの定義ていぎは

dU=-Frdr

である。したがって

dU=GMmr2dr

である。U(∞)=0 を用もちいると、

U(r)-U(∞)=∫∞rGMms2ds=[-GMms]∞r=-GMmr

を得える。

7関係式かんけいしき 4:脱出速度だっしゅつそくど

中心天体ちゅうしんてんたいから距離きょり r の位置いちでの脱出速度だっしゅつそくどは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vesc=2GMr

である。

7.1証明しょうめい

万有引力ばんゆういんりょくだけが働はたらくとき、力学的りきがくてきエネルギー

E=12mv2-GMmr

は保存ほぞんする。脱出だっしゅつの最小条件さいしょうじょうけんは、無限遠むげんえんで速はやさがちょうど 0 になることである。このとき無限遠むげんえんでのエネルギーは

E∞=0

である。したがって出発点しゅっぱつてんでも

12mv2-GMmr=0

である。整理せいりすると

v2=2GMr

なので、vesc=2GM/r を得える。

8関係式かんけいしき 5:中心力ちゅうしんりょくでは面積速度めんせきそくどが一定いってい

万有引力ばんゆういんりょくのような中心力ちゅうしんりょくのもとでは、面積速度めんせきそくど

dAdt

が一定いっていである。

8.1証明しょうめい

角運動量かくうんどうりょうの講義こうぎより、中心力ちゅうしんりょくでは

L→=r→×mv→

が保存ほぞんする。微小時間びしょうじかん dt の間あいだに位置いちベクトル r→ が掃はく面積めんせきは、三角形さんかくけいの面積めんせきとして

dA=12|r→×dr→|

である。dr→=v→dt なので、

dAdt=12|r→×v→|=|L→|2m

である。|L→| が保存ほぞんするので、dA/dt も一定いっていである。

9法則ほうそく 6:円軌道版えんきどうばんのケプラー第三法則だいさんほうそく

円軌道えんきどうでは、公転周期こうてんしゅうき T と半径はんけい r について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]T2=4π2GMr3

が成立せいりつする。

9.1証明しょうめい

円軌道えんきどうでは

v=2πrT

である。関係式かんけいしき 2 より

v2=GMr

である。したがって

(2πrT)2=GMr

である。整理せいりすると

T2=4π2GMr3

を得える。

10単位たんいの確認かくにん

G の単位たんいは、F=GMm/r2 より

G:Fr2Mm=[N;MLT-2][m2;L2][kg2;M2]=[Nm2/kg2;M-1L3T-2]

である。GM/r は

M-1L3T-2·M/L=L2T-2

なので、GM/r は速はやさの単位たんいをもつ。

11具体例ぐたいれい:円軌道速度えんきどうそくどと脱出速度だっしゅつそくどの比ひ

同おなじ距離きょり r で

vcirc=GMr,vesc=2GMr

である。したがって

vesc=2vcirc

である。脱出だっしゅつには、円軌道えんきどうを保たもつ速はやさより大おおきい速はやさが必要ひつようである。

12見分みわけ方かた

  • 地表付近ちひょうふきんなら mg と U=mgh を使つかってよい。
  • 高度こうどが地球半径ちきゅうはんけいに比くらべて大おおきいなら、GMm/r2 と -GMm/r を使つかう。
  • 円軌道えんきどうなら、向心力こうしんりょく = 万有引力ばんゆういんりょく。
  • 脱出だっしゅつなら、無限遠むげんえんを基準きじゅんにしたエネルギーで見みる。
  • 面積速度めんせきそくどなら、角運動量保存かくうんどうりょうほぞんで見みる。

13どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎでは、中心天体ちゅうしんてんたいを球対称きゅうたいしょうまたは質点しつてんとして扱あつかい、さらに中心天体ちゅうしんてんたいを固定こていできる近似きんじを使つかった。2 物体ぶったいが同程度どうていどの質量しつりょうをもつ厳密げんみつな 2 体問題たいもんだいでは、相対運動そうたいうんどうの式しきにより GM ではなく G(M+m) が現あらわれる。楕円軌道だえんきどうの完全かんぜんな導出どうしゅつには軌道方程式きどうほうていしきが必要ひつようである。ここで証明しょうめいしたケプラー第三法則だいさんほうそくは円軌道版えんきどうばんであり、楕円軌道だえんきどうでは r を長半径ちょうはんけい a に置おき換かえた形かたちが成立せいりつする。

14最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=GMmr2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vcirc=GMr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U(r)=-GMmr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vesc=2GMr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dAdt=|L→|2m

15一言ひとこと

万有引力ばんゆういんりょくでは、近ちかい範囲はんいだけ mg と見みる。距離きょりが変かわる天体問題てんたいもんだいでは、本来ほんらいの GMm/r2 へ戻もどる。

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