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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)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xx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\mathbf{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 \mathbf{r} : [0, \infty) \to \mathbb{R}^{n},\quad 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)(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 \begin{align*} \mathbf{r} &= (x, y, z) \\ &= x\hat{\mathbf{x}} + y\hat{\mathbf{y}} + z\hat{\mathbf{z}} \\ &= x\hat{\mathbf{e}_{1}} + y\hat{\mathbf{e}_{2}} + z\hat{\mathbf{e}_{3}} \\ &= x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k} \end{align*}

黒板では普通、矢印を使ってr\vec{r}のように記すが、教科書ではボールド体で表してr\mathbf{r}と書く。位置-時間グラフを描く時は、水平軸を時間tt、垂直軸を位置xxにするのが一般的だ。

変位

時間t0t_{0}からt1t_{1}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) \Delta \mathbf{r} = \mathbf{r}(t_{1}) - \mathbf{r}(t_{0})

時間t0t_{0}t1t_{1}での差しか考えないので、変位が00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

位置関数の導関数速度velocityとし、v\mathbf{v}と表示する。

v(t)=dx(t)dt v(t) = \dfrac{d x(t)}{d t}

v(t)=dr(t)dt \mathbf{v}(t) = \dfrac{d \mathbf{r}(t)}{d 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 x(t_{1}) = x(t_{0}) + \int_{t_{0}}^{t_{1}} v(\tau) d\tau

平均速度

変位を運動時間Δt=t1t0\Delta t = t_{1} - t_{0}で割ったものを平均速度という。

v=ΔxΔt \overline{v} = \dfrac{\Delta x}{\Delta t}

v=ΔrΔt \overline{\mathbf{v}} = \dfrac{\Delta \mathbf{r}}{\Delta t}

速さ

速度の大きさv\left| \mathbf{v} \right|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

速度の導関数加速度accelerationとし、a\mathbf{a}と表示する。

a(t)=dv(t)dt a(t) = \dfrac{d v(t)}{d t}

a(t)=dv(t)dt \mathbf{a}(t) = \dfrac{d \mathbf{v}(t)}{d 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 v(t_{1}) = v(t_{0}) + \int_{t_{0}}^{t_{1}} a(\tau) d\tau

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。