先に学ぶ内容力とは何か

運動量はなぜ保存するのか

摩擦のない線路の上で、走ってきた台車が止まっている台車にぶつかり、くっついて一緒に動く。

1 kg⁠のA⁠が6 m/s⁠で、静止した2 kg⁠のB⁠に衝突。連結後の速さは?

式から現象を説明する

  1. 1A⁠の運動方程式を書くmA dvAdt=⁠FA……
  2. 2B⁠の運動方程式も書くmB dvBdt=⁠FB……
  3. 3作用反作用の法則を使うFA+⁠FB=⁠0……
  4. 42⁠台全体の運動を表す式を作るmA dvAdt+⁠mB dvBdt=⁠0……
  5. 5質量が一定であることを使い、運動量の微分に書き直すd(mA vA)dt+⁠d(mB vB)dt=⁠0……
  6. 6微分の和を、運動量の合計の微分にまとめるd(mA vA + mB vB)dt=⁠0……
  7. 7微分が0⁠なので、運動量の合計は一定と分かるmA vA + mB vB=⁠一定……
  8. 8くっついた台車に当てはめるmA vA0 + mB vB0=⁠(mA + mB) V……
  9. 発展:外力・力積・エネルギー
  10. 9外から力が働くときを考えるΔ(mA vA + mB vB)=⁠∫F外 dt……
  11. 10A⁠だけを見て、力積と運動量の変化を結ぶmA V − mA vA0=⁠∫FA dt……
  12. 11衝突の前と後で運動エネルギーを比べる½ mA vA0² + ½ mB vB0²>⁠½ (mA + mB) V²……