円筒座標系における速度と加速度
📂古典力学円筒座標系における速度と加速度
円柱座標系での速度と加速度
va=r˙r^+rϕ˙ϕ^+z˙z^=(r¨−rϕ˙2)r^+(2r˙ϕ˙+rϕ¨)ϕ^+z¨z^
導出

円柱座標系では単位ベクトルは以下の通りです。
ρr^ϕ^z^=xx^+yy^+zz^=rr^+zz^=r^(ϕ)=cosϕx^+sinϕy^=r^(ϕ+π/2)=−sinϕx^+cosϕy^=z^
速度は位置を時間に対して微分し、加速度は速度を時間に対して微分して求められます。参考までに、r˙は「ドット」と読みます。物理学で文字の上に点は時間に対する微分を意味します。
r˙=dtdr
速度
ρをtに対して微分すると、以下のようになります。
v=dtdρ=dtd(rr^+zz^)=dtdrr^+rdtdr^+dtdzz^+zdtdz^=r˙r^+rr^˙+z˙z^
この時点で、直交座標系の単位ベクトルは時間によって変わりません。つまり、以下のようです。
x^˙=y^˙=z^˙=0
r^˙を計算すると、以下のようになります。
r^˙=dtd(r^)=dtd(cosϕx^)+dtd(sinϕy^)=dtdcosϕx^+dtdsinϕy^=dϕdcosϕdtdϕx^+dϕdsinϕdtdϕy^=−sinϕdtdϕx^+cosϕdtdϕy^=dtdϕ(−sinϕx^+cosϕy^)=ϕ˙ϕ^
従って、速度は以下のようになります。
v=r˙r^+rϕ˙ϕ^+z˙z^
■
加速度
vをtに対して微分すると、以下のようになります。
a=dtdv=dtd(r˙r^+rϕ˙ϕ^+z˙z^)=r¨r^+r˙r^˙+r˙ϕ˙ϕ^+rϕ¨ϕ^+rϕ˙ϕ^˙+z¨z^
ϕ^˙を計算してみると、以下のようになります。
ϕ^˙=dtd(ϕ^)=dtd(−sinϕx^)+dtd(cosϕy^)=−dtdsinϕx^+dtdcosϕy^=−dϕdsinϕdtdϕx^+dϕdcosϕdtdϕy^=dtdϕ(−cosϕx^−sinϕy^)=−ϕ˙r^
従って、代入して整理すると、以下のようになります。
a=r¨r^+r˙r^˙+r˙ϕ˙ϕ^+rϕ¨ϕ^+rϕ˙ϕ^˙+z¨z^=r¨r^+r˙ϕ˙ϕ^+r˙ϕ˙ϕ^+rϕ¨ϕ^−rϕ˙ϕ˙r^+z¨z^=(r¨−rϕ˙2)r^+(2r˙ϕ˙+rϕ¨)ϕ^+z¨z^
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円柱座標系は極座標系に高さzだけを加えたものであるため、速度と加速度の公式もそれぞれ極座標系ではz˙z^、z¨z^項を加えた形になります。
参照