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調和振動子とラグランジュの運動方程式
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ラグランジュの運動方程式_ の簡単な適用例として,調和振動子の運動を考えてみます.
調和振動子
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バネに取り付けられたおもりが振動するような運動を,調和振動子といいます.
自然界にはこのような運動が多くみられるため,
物理の問題でも調和振動子が多く登場しています.
ここでラグランジュの運動方程式を考えるのは,
つぎの図のような,水平面上の調和振動子です.
.. image:: harmonicAndLagrange-1.png
図のように座標軸等を取り,おもりの質量を $m$ とします.
ニュートンの運動方程式はすぐに分かって,
m\frac{d^2x}{dt^2}= -kx
となります.このあらかじめ分かっている方程式を
わざわざラグランジュの方程式から導いてみる,ということをします.
ラグランジアン
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ラグランジアンを書き出します.
解析力学のお偉いさん,ラグランジアン $L$ とは,
$T$ を運動エネルギー, $U$ をポテンシャルエネルギーとして
L = T-U
なる量のことでした.ティーまいなすユーです.
いまは単純な調和振動子の運動を考えていますから,
運動エネルギー,ポテンシャルエネルギーはすぐに分かって
T = \frac{1}{2}m\dot{x}^2, \quad U=\frac{1}{2}kx^2
と書けます.ここで $\dot{x}$ とは $x$ の時間微分,すなわち速度のことです.
したがってラグランジアン $L$ は
L = T-U = \frac{1}{2}m\dot{x}^2-\frac{1}{2}kx^2
となります.位置 $x$ と,その時間微分 $\dot{x}$ は,
独立した変数として取り扱うことに注意しておきます.
ラグランジュの運動方程式
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さて,ラグランジアンが分かったので,
いよいよ ラグランジュの運動方程式_ を考えましょう.
ラグランジュの運動方程式は
\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{x}}\right)
- \frac{\partial L}{\partial x} = 0 \tag{1}
というものでしたから,さきほどのラグランジアンを
この方程式に代入して計算します.
計算すると,ニュートンの運動方程式と同じ形になるはずです.
いっぺんにやると難しそうなので,左側第1項から順々に計算してみます.
第1項を計算
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ラグランジアンを $\dot{x}$ で偏微分します.
$x$ の項は消えます.さらにそれを時間微分します.
\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{x}}\right)
&= \frac{d}{dt}\left\{ \frac{\partial}{\partial \dot{x}} \left(\frac{1}{2}m\dot{x}^2-\frac{1}{2}kx^2\right) \right\}\\
&= \frac{d}{dt}(m\dot{x}-0)\\
&= m\ddot{x} \tag{2}
第2項を計算
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ラグランジアンを $x$ で偏微分します. $\dot{x}$ の項は消えます.
\frac{\partial L}{\partial x}
&= \frac{\partial}{\partial x} \left(\frac{1}{2}m\dot{x}^2-\frac{1}{2}kx^2\right)\\
&= -kx \tag{3}
ラグランジュの運動方程式を計算
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各項が計算できたので,ラグランジュの方程式
\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{x}}\right)
- \frac{\partial L}{\partial x} = 0 \tag{1}
を整理します.式(1)に式(2),(3)を代入すると
m\ddot{x}-(-kx) = 0
となります.移項して
m\ddot{x} = -kx
であり,さらに $\ddot{x}$ を微分の形で表すと
m\frac{d^2x}{dt^2} = -kx
です.これは,最初にみたニュートンの運動方程式です.
今回は,1次元の調和振動子を例にとって
ラグランジュの運動方程式のアプローチを練習してみました.
しかしこれだけでは,計算が繁雑になっただけでなんのメリットもありません.
つぎはこれと同様のアプローチで,ニュートンの運動方程式を直接記述するのが難しい,
極座標の運動を記述してみましょう.
.. _ラグランジュの運動方程式: http://www12.plala.or.jp/ksp/analytic/equationOfLagrange/
@@author: 崎間@@
@@accept: 204-10-28@@
@@category: 解析力学@@
@@id:harmonicAndLagrange@@