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角運動量保存則 : ウィキペディア日本語版
角運動量保存の法則[かくうんどうりょうほぞんのほうそく]

角運動量保存の法則(かくうんどうりょうほぞんのほうそく)は, 以下のような法則である:
質点系について, 単位時間あたりの全角運動量の変化は, 外力によるトルク (力のモーメント)に等しい(ただし, 内力が中心力であるときに限る)。
この特別な場合として, 外力が働かない(もしくは, 外力が働いていたとしてもそれによるトルクが0の)場合, 質点系の角運動量は常に一定である。例えば、フィギュアスケートの選手がスピンをする際、前に突き出した腕を体に引きつけることで回転が速くなる(角速度が大きくなる)。このとき回転軸から腕先までの距離が短くなるため, かわりに回転が速くなることによって, 角運動量が一定に保たれる。
回転する「こま」は、回転軸にそって、(上から見て)時計回りなら下向きの、反時計回りなら上向きの角運動量を持っている。独楽の回転軸(それは重心を貫いている)が鉛直方向に平行であれば, 独楽にかかる重力と, 床から独楽が受ける垂直抗力が共に1本の直線上(回転軸上)にあるため, 独楽に働く, 外力によるトルクは0である。従って, この場合, 独楽の角運動量は一定であり, 独楽は軸周りの回転だけを続ける。ところが, 独楽が傾くと, 独楽にかかる重力と, 床から独楽が受ける垂直抗力は, 1本の直線上には乗らず, 従って, これらの力がトルクを生じる。このトルクが独楽の角運動量を変化される。その結果, 独楽は本来の回転軸のまわりの回転に加えて, それとは別の軸(独楽と床が接する点を通る鉛直線)のまわりでも回転をする。それが独楽の「みそすり運動」すなわち歳差運動である。
== 角運動量保存の法則の証明 (1つの質点の場合) ==
1つの質点角運動量 \vec = \vec \times \vec の時間変化(時間微分)は以下の式のようになる。
ここで、\vec質点位置ベクトル\vec運動量t時間である。右辺第一項は、
すなわち、速度 \vec どうしの外積なので\vecとなる。よって、d\vec / dtは次のようになる。
ここで、\vec \times \vec は、外力 \vec によるトルク (力のモーメント)である。また, 運動方程式d\vec/dt=\vecを使った。この式の意味するところは, 角運動量の時間変化は外力によるモーメントに等しいということである。これにより、以下のことが分かる。
*もし外力がなければ、すなわち \vec = \vec ならば、当然 \vec \times \vec = \vec であり、角運動量は保存される。
*外力が\vec と平行の場合, \vec \times \vec = \vec すなわちトルクが0となって、角運動量は \vec = \mbox(一定)となり、保存される。
よって、質点に外力がまったく働かないか、あるいは外力が位置ベクトルに平行(トルクが0)であるならば、その質点の角運動量は保存される。

抄文引用元・出典: フリー百科事典『 ウィキペディア(Wikipedia)
ウィキペディアで「角運動量保存の法則」の詳細全文を読む



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