角運動量の方向って何ですか?

質問

角運動量の方向には、物理的にどのような意味があるのですか?

回答No.5

ryumu

すでにsiegmundさんが回答されてますね。

> もし角運動量の向きが正と負逆だったら何か問題があるんですか?

角運動量の定義は、先にも書いたとおりベクトル積ｒ×Ｐとなっていますから、その向きはベクトル積の定義から生じるということになります。
その向きの定義は、”慣習的に”右ねじの進む向きとされただけです。
問題が生じるのは、siegmundさんのおっしゃるように、我々の知識における定義の変更の方でしょう。
物理の世界ではベクトル積で表される式がいっぱいあるわけですから、角運動量の向きを逆にすると、ベクトル積の定義を変えなければならないので・・・えらいことになっちゃいそう＾＾；

ただこのベクトル積によって表された角運動量ベクトルは、実際の運動平面の”法線”を必ず示すことになり、その大きさ｜ｒ×Ｐ｜も、回転運動に関する量であることから、角運動量ベクトルを解析することで、その運動について議論できる、という仕組みになります。
ちなみにｒの取り方は任意であるため、ｒ×Ｐ だけでは回転軸そのものを表すことはできません。

回答No.4

siegmund

どうやら，ryumu さんのかかれている意図の質問のようですね．

> 人工的に作られたベクトルの方向というのは何に対応しているのでしょうか?

回転軸の方向です．

> もし角運動量の向きが正と負逆だったら何か問題があるんですか?

なにも問題はありません．どう定義するかだけの問題です．
ただし，逆に定義し直すと，
世界中の角運動量(だけじゃすまないですが)関係のすべての本，機械，プログラム，
など全部変更しないといけません．

今の選び方はもともと xyz の直角座標系のとり方に準拠しています．

ｙ
│
│
│
│
└────ｘ

と座標軸をとって，ｚ軸は画面垂直手前向きです．
向こう向きにとって悪い理由はありませんが，習慣でいまさら変えられないでしょう．

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簡単に平面上の円運動だとしますと，
運動の方向はどんどん変わっていきますから，
運動方向(or 運動量)で円運動を表すのはうまくない．
運動の平面ということならよさそうですね．
その平面上の１次独立な２つのベクトルが平面を規定しますが
(同じことですが，平面上の相交わる２直線，と言ってもよい)，
２つのベクトルの選び方は無数にあります．
かわりに，垂線を使えば，ただ１つのベクトルで面の向きが指定できます．

角運動量は，擬ベクトル(or 軸性ベクトル)と呼ばれる範疇のベクトルで，
座標軸の回転に関しては普通のベクトル(極性ベクトル)と同様の変換をしますが，
座標反転(x → -x，etc)の関しては符号を変えません．
普通のベクトルはもちろん符号を変えますね．

回答No.3

ryumu

yohei123さんの言いたいこと、何となくわかります。

たとえば運動量だったら、その向きは運動の向きなのに、
角運動量の向きって、運動の向きと垂直だけど、それがいったい運動とどういった関係が・・？？
ってことじゃないですか？

角運動量の向きは、回転軸の向きということは、すでにseigmundさんが答えられていますね。
では、角運動量の向きはなぜ回転軸の向きになるのか？？

たとえば、位置ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）にある物体が、運動量Ｐ＝（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）をもって、ｘｙ平面上を運動（回転である必要はない）をしているとすると（ｒ，Ｐはすべてベクトルです）、その角運動量は、

　Ｌｘｙ＝ｘ・ｐｙ－ｙ・ｐｘ

と表せて（これはスカラー量）、それはベクトル積ｒ×Ｐの”ｚ成分”に他ならない、ということになります。

ベクトル積というのは、ある二つのベクトルから、それらに垂直なベクトルを”人工的に”作り出すものです。
ベクトル積によってつくられるベクトルを疑似ベクトルといって、ベクトルと同じ性質をもっています。
角運動量の場合、ベクトル積を使うことで、（偶然？）運動平面に対しての垂線方向、つまり回転軸方向とその大きさを対応できた・・・ってことではないでしょうかね？

補足

人工的に作られたベクトルの方向というのは何に対応しているのでしょうか?
もし角運動量の向きが正と負逆だったら何か問題があるんですか?

回答No.2

brogie

No.１の方と同様質問の意図が今ひとつ分かりません。
次のような話で参考になるでしょうか？

昔、子供たちが、コマで遊んでいたときに、5歳の幼稚園児が巧みな技で相手のコマを倒していました。その子供はどこでその技を身につけたか分かりません。

コマが向こう側に倒れたときに、こちらから、コマを当てたら、相手のコマは向こうに倒れると思いますが、実際は、コマはぐるぐる頭が回るだけで倒れません（歳差運動）。この子供は、右横に傾いたときに、自分のコマを当てるといとも簡単に倒れるではありませんか？このとき、左に傾いたときに、当てると、そのコマは起きてしまいます。倒されるコマの回転の向きが関係します。逆回転と左に傾いたときに当てないとダメです。

そのコマの角運動量の方向はｚ方向だとし、横から当てたとき、それはコマを回転させようとしますので、そのモーメントはｘ方向とするとそのコマはｙ軸方向に力のモーメントを受けます。この力のモーメントがコマを倒してします。

実は、この技、角運動量の向き（sense）が関係しているのです。コマの場合、方向（direction）は上下ですが、向きは「下向き」「上向き」が考えられます。

昔、バイクのエンジンが回転軸が前後になるようなものがありました。これは聞いた話ですが、右と左にカーブするときは、角運動量の向きのために、運転の感覚が微妙に違うそうです。そのためか知りませんが、現在は、このようにエンジンをつけてあるバイクはないのではないでしょうか？（確認はしていません）

上の現象を実感したければ、宇宙ゴマというもので実験して下さい。その原理を応用したものに、モーメンタム・ジャイロでロケットの制御をしていました。今では、もっと精度の良い光センサーを使っているようです。船の羅針盤もジャイロではなかったでしょうか？

gooのトップページで、「ジャイロ」という項目で検索すると沢山ヒットします。参考にして下さい。

回答No.1

siegmund

どういう回答をもとめておられるのか，ちょっとわからないところもありますが...

角運動量の方向は回転の軸の方向です．
例えば，xy 平面上の円運動だったら，回転軸はｚ軸ですね．
ｚ軸の正負の方向の選び方がありますが，
回転と同じ方向に右ねじを回したときに進む方向を選んでいます．
つまり，反時計回り場合はｚ軸の正の方向，
もし時計回りならｚ軸の負の方向です．

お礼

早速の回答ありがとうございます。質問わかりにくくてすみませんでした。