位置、速度、加速度
📂古典力学位置、速度、加速度
位置
定義
物体の位置を表す関数を位置関数、簡単に位置positionという。
説明
物理では、時間による位置の変化(これを運動という)を考えるので、位置はx=x(t)のように時間を変数に持つ関数だ。一次元空間を仮定する場合は、主にxと表示する。二次元あるいは三次元空間を考える場合は、主にボールド体のrであるrと表し、位置 ベクトルと言う。数学的には以下のように表される。
r:[0,∞)→Rn,n=1,2,3
三次元空間で主に使用される位置ベクトルの表示には、次のものがある。位置関数を明示的に表さない場合、変数(t)を省略して書くことが多い。
r=(x,y,z)=xx^+yy^+zz^=xe1^+ye2^+ze3^=xi+yj+zk
黒板では普通、矢印を使ってrのように記すが、教科書ではボールド体で表してrと書く。位置-時間グラフを描く時は、水平軸を時間t、垂直軸を位置xにするのが一般的だ。
変位
時間t0からt1までの位置の変化を変位という。あまり使われない言葉だ。
Δr=r(t1)−r(t0)
時間t0とt1での差しか考えないので、変位が0だと言っても、その時間内に動いていなかったという意味ではない。
速度
定義
位置関数の導関数を速度velocityとし、vと表示する。
v(t)=dtdx(t)
v(t)=dtdr(t)
説明
速度が定数関数であれば、物体は等速運動uniform motionをしていると言える。
積分は微分の逆演算なので、次が成り立つ。
x(t1)=x(t0)+∫t0t1v(τ)dτ
平均速度
変位を運動時間Δt=t1−t0で割ったものを平均速度という。
v=ΔtΔx
v=ΔtΔr
速さ
速度の大きさ∣v∣を速さspeedという。個人的には、速さという言葉を使うべきではないと思う。それほど重要な概念でもなく、単に速度の大きさだけで十分だ。物理を初めて学ぶ時に混乱するだけで、良いことはない。
度(ど)はスカラーを意味し、力(りょく)はベクトルを意味するので、速度と速さの翻訳が間違っているという意見がある。
加速度
定義
速度の導関数を加速度accelerationとし、aと表示する。
a(t)=dtdv(t)
a(t)=dtdv(t)
説明
加速度は位置関数の二階導関数だ。積分は微分の逆演算なので、次が成り立つ。
v(t1)=v(t0)+∫t0t1a(τ)dτ
加速度が定数関数であれば、物体は等加速度運動uniform acceleration motionをしていると言える。専門の物理を含む、私たちが学ぶほぼ全ての物理的状況で等加速度運動を仮定する。