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物理学における一般化座標とは何ですか? 📂古典力学

物理学における一般化座標とは何ですか?

定義1

自由度がnn粒子系の座標を、(1)束縛条件と関係ない(2)互いに独立であるnn個の変数で表したものを一般化座標generalized coordinatesという。

一般化座標

3次元空間で粒子の自由度が33であるならば、粒子の位置は一般化座標q1,q2,q3q_{1}, q_{2}, q_{3}により次のように表現できる。

x=x(q1,q2,q3)y=y(q1,q2,q3)z=z(q1,q2,q3) \begin{align*} x &= x(q_{1}, q_{2}, q_{3}) \\ y &= y(q_{1}, q_{2}, q_{3}) \\ z &= z(q_{1}, q_{2}, q_{3}) \end{align*}

自由度が22または11であれば、それぞれ次のように表される。

x=x(q1,q2)y=y(q1,q2)z=z(q1,q2)x=x(q)y=y(q)z=z(q) \begin{align*} x &= x(q_{1}, q_{2}) \\ y &= y(q_{1}, q_{2}) \\ z &= z(q_{1}, q_{2}) \end{align*} \qquad\qquad \begin{align*} x &= x(q) \\ y &= y(q) \\ z &= z(q) \end{align*}

円運動

2次元空間で単位円を軌道として円運動する粒子を考えてみよう。粒子の位置は極座標r=(x,y)r = (x,y)で表現できる。このときy=1x2y=\sqrt{1-x^{2}}なので、この粒子系の自由度は21=12-1=1だ。

x=xy=1x2    r=(x,1x2) \begin{align*} x &= x\\ y &= \sqrt{1 - x^{2}} \end{align*} \quad \implies \quad r = (x, \sqrt{1-x^{2}})

もちろん、この場合には角度θ\thetaで表す方がはるかに便利だ。 r=(cosθ,sinθ) r = (\cos\theta, \sin\theta) ここで束縛条件はx2+y2=1x^{2} + y^{2} = 1であり、一般化座標はθ\thetaだ。

二重振り子

半径がR,r(R>r)R, r (R \gt r)の二重振り子を考えてみよう。2次元で2つの振り子の位置を表現するためには4つの座標(x1,y1)(x_{1}, y_{1})(x2,y2)(x_{2}, y_{2})が必要だが、自由度は22だ。2つの振り子がxx軸と成す角度をθ1,θ2\theta_{1}, \theta_{2}とすれば、この2つの変数で粒子系の全ての位置を表現できる。

x1=Rcosθ1y1=Rsinθ1x2=Rcosθ1+rcosθ2y2=Rsinθ1+rsinθ2 \begin{align*} x_{1} &= R\cos\theta_{1} \\ y_{1} &= R\sin\theta_{1} \\ x_{2} &= R\cos\theta_{1} + r\cos\theta_{2} \\ y_{2} &= R\sin\theta_{1} + r\sin\theta_{2} \end{align*}

ここで一般化座標は(θ1,θ2)(\theta_{1}, \theta_{2})だ。

一般化速度

一般化速度は連鎖律により次のように表される。

x˙=i=13xqiqi˙y˙=i=13yqiqi˙z˙=i=13zqiqi˙ \dot{x} = \sum\limits_{i=1}^{3} \dfrac{\partial x}{\partial q_{i}} \dot{q_{i}} \qquad \dot{y} = \sum\limits_{i=1}^{3} \dfrac{\partial y}{\partial q_{i}} \dot{q_{i}} \qquad \dot{z} = \sum\limits_{i=1}^{3} \dfrac{\partial z}{\partial q_{i}} \dot{q_{i}}

一般化座標で計算されるエネルギー

例1

一般化座標で運動エネルギーと位置エネルギーを計算する具体例を見てみよう。次の図のように、質量がMMの物体がxx軸に沿って動ける状況と、質量がmmの物体がそこにぶら下がり半径がrrの振り子運動をする状況を考えてみよう。

この粒子系を記述するためには、MMの位置(X,Y)(X, Y)mmの位置(x,y)(x, y)、合計4つの変数が必要だ。しかし、次のような束縛条件があるので、実際には自由度が22で、2つの変数だけで粒子系の全ての位置を表現できる。 Y=0(xX)2+y2=r2 Y = 0 \\ (x - X)^{2} + y^{2} = r^{2}

この粒子系をXXθ\thetaの2つの変数で表現できるので、一般化座標は(X,θ)(X, \theta)だ。 (X,Y)=(X,0)(x,y)=(X+rsinθ,rcosθ) \begin{align*} (X, Y) &= (X, 0) \\ (x, y) &= (X + r\sin\theta, -r\cos\theta) \end{align*}

一般化速度は次のとおりだ。

X˙=X˙,x˙=X˙+rθ˙cosθ,y˙=rθ˙sinθ \dot{X} = \dot{X}, \qquad \dot{x} = \dot{X} + r \dot{\theta} \cos\theta, \qquad \dot{y} = -r \dot{\theta} \sin\theta

それでは、運動エネルギーTTと位置エネルギーVVはそれぞれ以下のとおりだ。 T=12MX˙2+12m(x˙2+y˙2)=12MX˙2+12m[(X˙+rθ˙cosθ)2+(rθ˙sinθ)2]V=MgY+mgy=mgrcosθ \begin{align*} T &= \dfrac{1}{2} M \dot{X}^{2} + \dfrac{1}{2} m \left( \dot{x}^{2} + \dot{y}^{2} \right) \\ &= \dfrac{1}{2} M \dot{X}^{2} + \dfrac{1}{2} m \left[ (\dot{X} + r \dot{\theta} \cos\theta)^{2} + (-r \dot{\theta} \sin\theta)^{2} \right] \\[1em] V &= MgY + mgy \\ &= -mgr\cos\theta \end{align*}

例2

中心力が作用する2次元平面上の粒子の運動を考えてみよう。一般化座標として極座標を選べばq1=rq_{1} = rq2=θq_{2} = \thetaであり、位置と速度は次のとおりだ。

x=rcosθy=rsinθx˙=r˙cosθrθ˙sinθy˙=r˙sinθ+rθ˙cosθ \begin{align*} x &= r\cos\theta &\quad y &= r\sin\theta \\ \dot{x} &= \dot{r}\cos\theta - r\dot{\theta}\sin\theta &\quad \dot{y} &= \dot{r}\sin\theta + r\dot{\theta}\cos\theta \end{align*}

したがって、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーは、

T=12m(x˙2+y˙2)=12m(r˙2+r2θ˙2)V=V(r) \begin{align*} T &= \dfrac{1}{2} m (\dot{x}^{2} + \dot{y}^{2}) = \dfrac{1}{2} m (\dot{r}^{2} + r^{2}\dot{\theta}^{2}) \\ V &= V(r) \end{align*}

速度ベクトルを用いて求めても同じ結果を得ることができる。極座標系での速度は次のとおりだ。

v=r˙er+rθ˙eθ \mathbf{v} = \dot{r}\mathbf{e}_{r} + r\dot{\theta}\mathbf{e}_{\theta}

したがって、v2=vv=r˙2+r2θ˙2|\mathbf{v}|^{2} = \mathbf{v} \cdot \mathbf{v} = \dot{r}^{2} + r^{2}\dot{\theta}^{2}なので運動エネルギーは次のとおりだ。

T=12mv2=12m(r˙2+r2θ˙2) T = \dfrac{1}{2} m |\mathbf{v}|^{2} = \dfrac{1}{2} m (\dot{r}^{2} + r^{2}\dot{\theta}^{2})


  1. Grant R. Fowles and George L. Cassiday, Analytical Mechanics (7th Edition, 2005), p423-438 ↩︎