先に学ぶ内容力のモーメントと剛体のつり合い円運動と遠心力

剛体の回転と角運動量

同じ質量・同じ半径の、中身の詰まった一様な球と薄い輪を、同じ傾きの坂で静止状態から同時に放す。

球が坂に沿って1 m⁠進んだ瞬間、輪は何m⁠進んでいるか?

式から現象を説明する

  1. 1粒子の運動方程式から回転の式を導くdLdt=⁠N……
  2. 2剛体の軸方向の角運動量を求めるLz=⁠I ω⁠,I = Σ mi ρi²……
  3. 3運動方程式と見比べるI dωdt=⁠Nz……
  4. 4滑らずに転がる物体に、2⁠つの運動方程式を立てるM a=⁠M g sinθ− f⁠,I α=⁠f R……
  5. 滑らない条件:接点の速度が0 →⁠重心の速さ⁠v = Rω →⁠時間で微分してa = Rα⁠。
  6. 5滑らない条件を使って摩擦力を式から消去するa=⁠g sinθ1 + I/MR²……
  7. 6滑らずに転がれる条件を確かめるμs≧k tanθ1 + k……
  8. 7同じ時刻で、球と輪の進む距離を比べるx輪x球=⁠a輪a球=⁠(1 + 25)/⁠(1 + 1)=⁠0.70……
  9. ここからは、角運動量で別の現象を説明する
  10. 8同じ高さを下りたときの速さを、エネルギーから比べるM g h=⁠½ M v²+⁠½ I ω²=⁠½ M v² (1 + IMR²)……
  11. 9角運動量の保存から、腕を縮めたときの回転の速さを求めるI₁ ω₁=⁠I₂ ω₂……
  12. 10傾いたコマの軸が回る理由を求めるΩ≒⁠M g d/⁠(I ω)……
  13. 11保存則として見なおすN = 0⇒⁠L = 一定……