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初投稿(楕円軌道上を等速度運動する点について!!??)

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はじめに

こんにちは!競技数学と競プロが好きな高校生のButterFlvです.
実は以前からmathlogに記事を投稿してみたいなーと考えていて, なかなかネタが無く始める機会を持てずにいたところ, 友人のW2TZMS君が提供してくれた問題が面白かったので記事にしてみました.
誤りがあればコメントなどで指摘していただけるとありがたいです.

内容

扱う問題はこんな感じです(気持ち部分)

楕円軌道上を一定の速さで運動する点に加わる力の大きさの時間平均を求めよ.

状況設定の想定的には, 動かせる点電荷を操作して他の点電荷を楕円軌道上でいい感じに引っ張るみたいな感じです. (むりやり)

解答

質量mの質点が速さvで楕円軌道上を運動するとき, 軌道の長さをLとすると質点に加わる力の大きさの時間平均は2πmv2Lと表せる.

証明

微小量を置いて極限を考える方針です.

質量をm, 速さをvとし, 楕円軌道を定数a,bと媒介変数θ(x,y)=(acosθ,bsinθ)とおく. θに対応する速度ベクトル, 加速度ベクトル, 力ベクトルをそれぞれv(θ),α(θ),F(θ)とおく. dxdθ=asinθ, dydθ=bcosθよりL=(dx)2+(dy)2=02π(asinθ)2+(bcosθ)2 dθとできる. ここでh(x)=(asinx)2+(bcosx)2とおき, H(x)=0xh(u) duを定義する.
任意に一つθをとり, Δtの時間にθΔθと変化したとする. このときΔtΔθの間にはvΔt=θθ+Δθh(u) du=H(θ+Δθ)H(θ)という関係が成立している.
運動方程式よりF(θ)=mα(θ)=m(v(θ+Δθ)v(θ))1Δtであり, v(θ)=v(dxdθ1h(θ),dydθ1h(θ))なのでF(θ)x成分について考えると(F(θ))x=mvasin(θ+Δθ)h(θ+Δθ)+asinθh(θ)1v(H(θ+Δθ)H(θ))=amv2sin(θ+Δθ)h(θ+Δθ)sinθh(θ)ΔθΔθH(θ+Δθ)H(θ)=amv2cosθh(θ)sinθh(θ)h(θ)21h(θ)()=abmv2h(θ)4bcosθ
y成分も同様に計算することでF(θ)=abmv2h(θ)4(bcosθ,asinθ)とわかる.
初めの時刻を0として時刻tのときを考える. tθの関係はvt=H(θ)θ=H1(vt)とできるので力の大きさの平均FF=vL0vLF(H1(vt)) dtと表すことができる. t=H(θ)vと置換するとF=vL02πF(θ)h(θ)v dθ=abmv2L02πdθ(asinθ)2+(bcosθ)2ここで一般にdθ(asinθ)2+(bcosθ)2=1abtan1(abtanθ)+C (C)であるので,F=abmv2L41ab(limθπ20tan1(abtanθ))=2πmv2L

最後に

初投稿でした. いかがでしたでしょうか?
あまり高度な話題は扱えないと思いますが, これからも面白いと思ったものを記事にしていきたいと思います.

(2024/12/05 追記)  @Sparrowckun 君にvベクトルの表示について指摘をいただいたので修正しました.

投稿日:20241126
更新日:20241223
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投稿者

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