ID非公開
ID非公開さん
2021/3/4 10:44
3回答
剛体の力学について質問です。
剛体の力学について質問です。 剛体の運動エネルギーについて、 運動エネルギーK は重心の並進運動エネルギーと重心周りの運動エネルギーの和で表すことができると書いていました。式で表すと、 K=1/2mV^2+1/2Iω^2 (V:重心の速度、I:重心周りの慣性モーメント)となり、実際、円板を坂で転がす例題で成り立っていました。 ここで疑問なのですが、これは重心を通る直線を固定軸とみなして固定軸の並進運動と固定軸周りの回転エネルギーとしているので(おそらく)、回転軸が重心を通る場合にしか成り立たないのではと思いました。 なので、例えば密度に偏りのある円板を坂で転がした場合などはどのような運動エネルギーの式となるのでしょうか。 まとめると、質問の一つ目は上記の運動エネルギーの式は回転軸が重心を通らない場合でも成り立つか否か、質問の二つ目は回転軸が重心を通らない場合、運動エネルギーの式はどうなるか、です。 よろしくお願いします。
ベストアンサー
運動エネルギーを並進と回転に分離できるのは回転の中心を重心にとる場合だけです。 これは数学的に必然なので、重心を通る回転軸を固定軸と見ているためではありません。瞬間回転軸が方向を変える場合でも成立します。 この運動を並進と回転に分離するのは剛体だけではなく質点系一般で成立します。つまり、各点がばらばらに動いて全体に共通な回転軸を考えることができなくても成立します。
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質点系を考えて基準点の位置ベクトルをR、基準点に対するi番目の質点の相対位置ベクトルをriとすると、i番目の質点について 位置ベクトル R + ri 速度ベクトル R' + ri' すべての質点について運動エネルギーの総和を取ると K = Σ (1/2) mi (R'+ri')^2 = (1/2)(Σmi) R'^2 + R' Σ(mi ri') + Σ (1/2)mi ri'^2 Rから見た重心の位置ベクトル rg = Σ mi ri / Σ mi Rから見た重心の速度ベクトル vg = Σ mi ri' / Σ mi 質点系の全質量 M = Σmi 以上を使って書き直せば K = (1/2)M R'^2 + M R'・vg + Σ (1/2) mi ri'^2
質問者からのお礼コメント
どなたも分かりやすい解説有難うございました!
お礼日時:3/4 20:08