• ベストアンサー

万有引力の問題

keyguyの回答

  • keyguy
  • ベストアンサー率28% (135/469)
回答No.4

1次元に限定しなくても3次元でも厳密に美しく解析的に2体問題を解く事ができるのですが1次元運動ですね そもそも運動方程式が間違っています 運動直線状の慣性系の任意の点を原点に取り mの位置をxとし Mの位置をXとすると mの運動方程式は m・x"(t)=-G・M・m・(x(t)-X(t))/|x(t)-X(t)|^3 Mの運動方程式は M・X"(t)=-G・M・m・(X(t)-x(t))/|X(t)-x(t)|^3 です r(t)=x(t)-X(t) としたいならば先の方程式から x"(t)=-G・M・(x(t)-X(t))/|x(t)-X(t)|^3 X"(t)=-G・m・(X(t)-x(t))/|X(t)-x(t)|^3 となるから辺々引いて r"(t)=-G・(M+m)・r(t)/|r(t)|^3 となる 0<r(t)の場合は r"(t)=-G・(M+m)/(r(t))^2 r(t)<0の場合は r"(t)=G・(M+m)/(r(t))^2

genn
質問者

補足

ご回答ありがとうございます。 ただこの場合、X=0,r>0と仮定していました。(書いて無かったですけど)いずれにせよ、方程式が解けたので、よかったです。

関連するQ&A

  • 2次元極座標表示での運動方程式から万有引力のR

    2次元極座標表示での運動方程式から万有引力のRを導く計算をしてるのですが m(r''-rθ'^2)=Frから万有引力公式を使ってRを求めたいのですが mr''-mrθ'^2=-gMm/r^2 から -mrθ'^2=-gMm/r^2になるらしいのですが なぜ急にmr''が消えるのかが分かりません '記号は微分です どうしてなのでしょうか?

  • 万有引力の位置エネルギー

    こんばんは。万有引力の位置エネルギーについて質問します。  万有引力は2つの物体の距離の2乗に反比例するとのことですが、   F=GMm/r^2  万有引力の位置エネルギー    U=-GMm/r   はなぜ(距離の2乗に反比例ではなく)距離に反比例なのでしょうか?  素朴な疑問です。理解できるかどうかわかりませんが、ともかく質問します。よろしくお願いします。

  • 万有引力に関する問題

    万有引力に関する問題 宇宙空間に質量1kgの球が2つあり、距離1m離れているとします。 この球には万有引力以外に何も力は働かないとしてください。 このとき、球がぶつかるにはどれほどの時間がかかるのでしょうか? 私も個人的に計算をしてみました。 距離によって万有引力の大きさが異なるため、距離を一般にx(m)として問題を解いてみました。 d^2x/dt^2=G/x^2→(x^2)d^2x/dt^2=Gとなり、この微分方程式を解くことができれば問題も解けますが、私にはこの微分方程式の解き方はわかりません。 どなたか時間がわかる方はいらっしゃらないでしょうか。 ご教授のほどよろしくお願いいたします

  • 万有引力の微分方程式

    万有引力の運動方程式を考えていると、複雑な微分方程式になるなとおもっていました。 それで片方の物体が初速度を持っていた場合はどうなるのだろうと思って考えていたのですが難しくてわからなくなりました。 考えていた問題は (0,0,0)と、(0,0,s)にある二物体A、Bが万有引力のみをうけて運動します。 Bは速度(v,0,0)を持っています。 それ以外の条件はないです。 という問題で両物体の位置ベクトルを求めようとしたのですが、微分方程式がx成分、z成分の問題になり難しくて解けなくなってしまいました。 どなたかご教授ください

  • 万有引力の問題わからない問題があります。

    万有引力の問題わからない問題があります。 問題は 無重力空間で質量Mの2つの物体が距離R離れて静止しています。このときをt=0とする。2物体間には万有引力しか働いてないとして、お互いに引き合って衝突するまでにようする時間tを求めると、t=(2/3)√Rの三乗/2GMになることを示せ。ただし、Gは重力定数である。 できれば高校生でもわかりやすくお願いします。

  • 万有引力に関する問題について

    問題が解けないということではないのですが,解法や問題の解の解釈がうまく出来ないので質問させていただきました。 以下問 地球の中心からrだけ離れた地点で地球に向かってv0の速度で動いている隕石がある。この隕石が地表に落ちてくる時の速度vを求めよ。ただし,地球以外天体の影響および空気抵抗は無視する。地球の半径をR、地球の質量をM、万有引力定数をGとする。 質問一つ目 エネルギー保存則を使えば解ける問題と言うのは分かるのですが,運動方程式から導出した微分方程式では解けないのでしょうか?以下のように速度に関する微分方程式を求めたところまではやってみたのですが、その後の変数分離の仕方が分かりません d(dr/dt)/dt = GM/r^2 dr/dt = GM/r^2*t + v0 質問二つ目 この問題の解が√(v0^2+2GM(1/R-1/r))なのですが,この解ですと地表に近づくほど隕石の速度が終末速度v0になるまで落ちてしまいます。実際にこういうことが起こるのでしょうか?だとしたらなぜなのでしょうか?地表に落下してくる物体が減速していくというのがいまいち納得がいかないのですが・・・ 質問三つ目 この問題に関してではないのですが,万有引力などの保存力を議論する際になぜ無限遠方を基準とするのでしょうか?数学的には解の発散を避けるためであると言うのは分かるのですが,物理的な現象としてイメージがいまいち掴めません。 どなたかよろしければご教授ください。

  • 複数の質点から受ける万有引力の求め方。

    複数の質点から受ける万有引力の求め方。 「地球上の物体に及ぼす地球の引力は、地球各部が及ぼす万有引力の合力であり、これは【地球の全質量が地球の中心に集まった時に及ぼす万有引力に等しい】」 と物理の教科書に書いてありました。 【】内の文がどうしても納得できません。 試しに簡単な例を考えて計算してみました。 質点A(m[kg])、質点B(M[kg])、質点C(M[kg])がこの順で同一直線上にあり、 AB間、BC間の距離はr[m](つまりAC間は2r[m]) (1)AがBとCから受ける万有引力f[N]は、万有引力定数をGとして  f=GmM(1/r^2+1/(2r)^2)=5GmM/4r^2 (2)【】内の文のように考えれば、BとCの重心をDとすると、  Dの質量は2Mとなり、位置はBCの中点で、AD間の距離は3r/2となるので、  f=Gm(2M)/(3r/2)^2=8GmM/9r^2 このように値が異なってしまいました。 (1)は正しいはずなので、(2)が間違っているはずなのですが、 どこが間違っているのか教えてください。

  • 万有引力の問題で・・

    また質問すみません。 「158gの物体Aと738gの物体Bの中心間の距離を40cmとするとき、これらの間に働く、万有引力はいくらか。ただし、万有引力定数は G=6.67*10^-11[N*m^2/kg^2] とする。」 という問題なのですが、 「F=mMG/r^2」という公式に値を代入すると (158*738*6.67*10^-11)/0.0004^2 という形になると思います。 (158*738*6.67*10^-11)/0.00000016^2 となると思うのですが、あまりにも数が大きくなりすぎて変だと思います。 その上、これを(電卓を使わず)計算しようと思ったらかなり時間を使う気がします。 結局答には4.87*10^-8[N] と記されています。 どこかで四捨五入をしたような数字です。 どなたか、求め方の解説をお願いします。

  • 万有引力の位置エネルギー

    万有引力定数をG、地球の質量をM、地球の半径をR、自転は無視とする 地表を万有引力の位置エネルギーの基準にすると高さhの点で質量mの物体がもつ万有引力の位置エネルギーはどのように表されるか 2点間の位置エネルギーの差は変わらないことを利用せよ またh<<Rの場合について近似式を用いて結果を簡略化せよ とりあえず無限遠を基準にすると、地表にある物体の位置エネルギーU(R)=-GMm/R、地表から高さhの点にある物体の位置エネルギーU(R+h)=-GMm/(R+h) この差を利用するのは分かるのですが、どちらからどちらを引けばよいのでしょうか?また、h<<Rはh<Rと何が違うのでしょうか?そして、近似式で表すにはどうすればよいでしょうか? 教えてください!

  • 高校物理、万有引力による位置エネルギー

    (1)図のように、物体の万有引力による位置エネルギーを考えます。 xにおける万有引力の大きさはF(x)=GMm/x^2 物体をこの位置から微小距離⊿x移動させるとき、万有引力のする仕事はーF(x)⊿x ここから、rから無限遠(基準)まで物体が移動したときに、物体に万有引力がする仕事すなわちrでの位置エネルギーを求めると、 U(r)=ー∫(r~∞)F(x)dx=-GMm/r ここで、もし地表(x=R)が基準だった時のrでの位置エネルギーを求めると、 U‘(r)=U(r)-U(R)とすることで、求められる。とあるのですが、なぜでしょうか? 私の考えは、U(r)-U(R)はRからrへ移動するときに、手が加える仕事=rでの位置エネルギー (2)(1)を考えていて、同様の話題を思い出したのですが、 上向き正として、Oを基準点とします。rの位置エネルギーの導出の際、Oからrまで移動することを考えるとき、物体に手が加える仕事とすると、 確かに○mghと正しい結果が得られるのに、 物体に重力が加える仕事とすると、×-mgh と間違った結果が出るのはなぜでしょうか?