• 締切済み

質点の運動においての運動エネルギーの導出法

↑r=(Acosωt、Asinωt)↑V=(-Aωsinωt, Aωcosωt) で平面上を動く質量mの質点Qがあります。 運動方程式を↑F=m↑a として、 これを用いてQの運動エネルギーTを求めるにはどうしたらよいでしょうか。 用いる計算式の大まかな流れだけでも教えていただけたら幸いです。実際、ベクトルの成分の処理の仕方で行き詰っています...。

みんなの回答

  • Meowth
  • ベストアンサー率35% (130/362)
回答No.2

↑F=m↑a からでは ↑r=(Acosωt、Asinωt)↑V=(-Aωsinωt, Aωcosωt) はでない。 Fの内容(中心力とか、抗力とか、張力とか) 拘束条件、(糸でつながっているとか 円の内側とか) がなければ解けない。 保存場ならその条件(Fの実態とおなじか) とか。 それがわかれば、 ↑F=m↑a をエネルギー積分すればいい

  • proto
  • ベストアンサー率47% (366/775)
回答No.1

Vが与えられているので、運動方程式を解くまでもなく運動エネルギーの定義式に代入するだけ。   T = (m|V|^2)/2   |V| = √{(-Aωsinωt)^2+(Aωcosωt)^2}

ts_kamui
質問者

補足

回答ありがとうございます。  すいません。説明不足でした。結果は自分で 運動エネルギーの式に代入して求めることができたんですが、 私が知りたかったのは、 定義に基づいて導き出す方法を知りたかったのです。 運動方程式を積分したりして行うものかと思うのですが、いまいちよく分からないのです。

関連するQ&A

  • 角運動量の問題について

    現在、大学1年で基礎力学を履修しているものです。よろしくお願いします。 問題は、「質量mの質点が速度vで位置rを通過するとき、ある点(位置Rとする)のまわちの角運動量Lは{L=m(r-R)×v}である。したがって位置rが時刻tの関数として与えられるとき、角運動量は、{L=m(r-R)×v}の式を使って計算することができる。質量mの質点が図のような運動をしているとき、指定された点のまわりの角運動量を求めよ。((a),(b)の各場合において、ベクトルの外積を計算することによって角運動量を(Lx、Ly,Lz)の形で成分表示せよ。そのあと角運動量の大きさと向きを答えよ。ただし図において奥から手前の向きを+zの向きとする)」 (a)xy平面で原点を中心とする円運動{r=(acosωt,asinωt,0)}をしている質点において、原点のまわりの角運動量(m、a、ω、tのうち必要な文字を使ってあらわせ)ただしa、ωはともに正の定数。 (b) (a)と同じ運動をしている質点について、点A(-a,0,0)のまわりの角運動量(m、a、ω、tのうち必要な文字を使ってあらわせ) という問題です。(a)の外積は{r=(acosωt,asinωt,0)}を微分して、vを求めればわかるんですが、残りの角運動量の大きさと向きというのがわかりません

  • 質点の運動方程式のベクトル表現

    質量mの質点を時刻t=0で初速度>0で水平方向に投げた。 運動はxy平面内で起こり、質点を打ち出した向きにx軸を、上向き鉛直にy軸をとり、初期の質点の位置を原点とする。質点は速度に比例した抵抗を受ける。これは -ηv→ と表現する。重力加速度をg→として (1) 質点の運動方程式をベクトルの形でかけ (2) (1)で得られた運動方程式を解き、質点の速度をtの関数として表せ (3) 質点の位置をtの関数として表せ (4) 質点がx軸方向に進むことのできる最大の距離を求めなさい。 ゆっくりとしっかり内容把握に努めたいので解答だけじゃなくて解説まで丁寧にしていただければ幸いです。

  • 単振動の解

    自然の長さl, ばね定数k のばねの下端に質量mの質点をつるす。上端を鉛直方向に動かし、変位がacosωtとなる振動を与える。運動方程式の解を求めよ。ただし、ω≠√(k/m) とする。 という問題で、鉛直方向に動かしている時の質点の自然長からの変位をxとすると、 mx''=-kx + mg となるので 解は、 x=Acos(ω0t+α) + mg/k だと思ったのですが、 答えは x=Acos(ω0t+α) +{aω0^2cosωt/(ω0^2 - ω^2)} + l + (mg/k) となっていました。 変位を acosωt にするということが関係すると思うのですが、どう扱えば良いのかよく分かりません。 なぜこうなるのでしょうか?

  • 質点の運動の問題

    こんにちは。初めて質問させていただきます。 とりあえず、問題は以下の通りです。 「質点が時間tの関数として(r,θ,z)=(acos(2t),t,√3/2asin(2t))で  表される軌道上を運動している。この運動の速度xドットベクトルと  加速度xツードットベクトル、および時刻t=0からt=t0までの間に動く  距離を求めよ。また、運動の軌跡を図示せよ」 まず、自分は円柱座標で表されている運動なので、 直交座標に直すべく(x,y,z)=(acos(2t)cost,acos(2t)sint,√3/2asin(2t)) と直しました。 速度、加速度を求めるので、各成分をtに関して微分したいのですが、 どうも、複雑な式になってしまいそうです。 ここで、なにか計算のコツなどはありますでしょうか。 動く距離は、速度を積分するらしいのですが、 3次元のためうまくいきません。 やり方のヒントをください。 考えた方法は、速度の各成分をt=0からt=t0まで積分して その各々を2乗して加えたもののルートをとるというものです。 これだと、軌道に沿った距離にならなそうです。 あと少しで解けそうです。 助言をお願いします。

  • ばねと二つの質点の問題

    ばねと二つの質点の問題 課題でまったくわからない問題があったので、もしわかる方がいらっしゃいましたら教えて下さい。お願いします。 問題文 自然長L、ばね定数kのばねの両端に質量Mの質点1と質量mの質点2が結ばれ、滑らかで水平な台の上にある。質点の運動方向をx軸にとり、質点1と質点2の位置をx1とx2とする。 (a)質点1と質点2の運動方程式を書け。 (b)質量中心の運動方程式を(a)より導き、その一般解を求めよ。 (c)質点2の質点1に対する相対運動の方程式を(a)より導き、その一般解を求めよ。 (d)相対運動の単振動の周期は、M→∞、M=2m、M=m/2、M→0のとき、それぞれT0=2π√m/kの何倍となるか。

  • バネで結ばれた2つの質点の運動について

    バネ定数kのバネで結ばれた2つの質点AおよびBがある。 質点AおよびBの質量をm_A(mに下付きでA, 以後、下付きの文字の前には_を書くことにする)およびm_B、 位置をx_Aおよびx_Bとする。 両質点にバネから力が作用しない際のバネの長さ(自然長)をδとする。 質点はバネの伸縮するx軸方向のみに運動するものと仮定する。 AwwwwwwwwB ーーーーー→x (2質点系のモデルの簡単な図です。分かりにくくてすみません・・・) (1)質点Aおよび質点Bの運動方程式を完成させよ(これは解けました)。 m_A・((d^2(x_A))/(dt^2))=k(x_B-x_A-δ) m_B・((d^2(x_B))/(dt^2))=-k(x_B-x_A-δ) (2)時間t=0において、両質点は静止しているものとし、その際の両質点 の位置をx_A=x_(AI)およびx_B=x_(BI)とし、x_(BI)-x_(AI)≠δとする。 以下の式の右辺を完成させよ(この問題の右辺をどのように書き表す べきか、出題者がどのような答えを求めているのかよく分かりません でしたが、一応速度を書きました)。 dx_A/dt(t=0)=v_(AI) dx_B/dt(t=0)=v_(BI) (3)運動方程式の解である質点AおよびBの位置x_Aおよびx_Bは、6個の定数、X_A、X_B、λ、α、ν、およびCを用いて、 x_A=(X_A)sin(λt+α)+νt+C x_B=(X_B)sin(λt+α)+νt+C+δ と表すことができる。これらの式と(1)の運動方程式より、X_Aおよび X_Bの関係式(連立方程式)を求めよ。 (この問題は、自信はあまりありませんが、問題文で書かれたとおりに計算を行っていったら、 以下のようになりました。) X_A=-(k((x_B)-(x_A)-δ))/((m_A)(λ^2)sin(λt+α)) X_B=k((x_B)-(x_A)-δ)/((m_B)(λ^2)sin(λt+α)) (4)(3)で導いた式に対して、X_AおよびX_Bの両方が0(ゼロ)にならない 解が存在し得ることを用い、λをm_A、m_Bおよびkを用いて表せ。なお、一般性を失うことなく、λ≧0と仮定できる。 (4)の問題が分かりません。 「X_AおよびX_Bの両方が0(ゼロ)にならない解が存在し得ることを用い」 とあるのですが、これの使い方がいまいちよく理解できません。 色々と式変形してみたのですが、どのように変形しても、 m_A、m_Bおよびkのみで表せません。 相対座標に関する運動方程式を求め、そこから相対座標の運動の固有角振動数を求めるのかとも思ったのですが、それでは(3)を利用していないことになります。 ちなみに、相対座標の運動の固有角振動数は√(k/μ)となりました。 ここで1/μ=1/m_A+1/m_Bです。 長々とすみませんでした。どなたか(4)の問題、ご教授のほど、ヨロシクお願いします。 また、答えで何か間違えているところなどありましたら、ご指摘ヨロシクお願いします。

  • 角速度ベクトルについて

    初歩的な質問ですいません。 質点の位置ベクトルがr=(acosωt,asinωt,0)の時 質点の角速度ベクトルωはどのようにして求めるのでしょうか?

  • 運動方程式です

    一様な静磁場B=(0.0.Bο)において、質量m、電荷qをもつ荷電粒子の運動方程式は次式で表される。以下の問題に答えよ。 mdv/dt=q(v×B) 運動方程式が次式で表される事を確かめよ。 v={A1sin(qBο/m)t+A2cos(qBο/m)t,A1cos(qBο/m)t-A2sin(qBο/m)t,A3} どのようにやったらこの式が出るのでしょうか。教えてください。

  • 運動エネルギーの求め方について(積分)

    仕事から運動エネルギーを積分を用いて求めると、教科書では W =∫Fcosθdl  (l(エル)は距離、FcosθはベクトルFのl(エル)の成分とする) =∫m(acosθ)dl  (aは加速度、mは物体の質量) =∫m(acosθ)dl   =∫m(dv/dt)dl    (dv/dt = acosθ) =∫m v* (dv/dl)dl (dv/dt = (dv/dl)*(dl/dt) = (dv/dl)*v = v* (dv/dl)) =∫mv dv このようにして運動エネルギーの式 (1/2)m(後の速度)^2 -(1/2)m(始めの速度)^2を 導き出しているのですが、 上の式で(dv/dt = acosθ)こうなることが納得できません、 私は(d(vcosθ) /dt = acosθ)もしくは、(dv/dt = a)にしなくてはならないと思うですが、そしたらどちらの場合も最後までcosθが残ってしまい、 (1/2)m(後の速度)^2 -(1/2)m(始めの速度)^2の形になりませんでした。 (dv/dt = acosθ)の考え方について教えてください。この考え方はあっているのでしょうか?

  • 角運動ベクトル

    3次元空間中を運動する質量mの質点が位置ベクトルxの場所にあるとき、その質点にはF(x)↑の力がはたらく。時間tにおける質点の位置ベクトルをr(t)↑とする。 角運動量ベクトルがしたがう方程式を記せ L↑=r↑×p↑      ここからどうすればよいのですか? 詳しい解説お願いします。