「質点の力学」をあつかうこと

質量 (mass)

「質量」は、日常用語では「重さ」にあたる。 物理を考えはじめると、「重さ」という概念はあいまいなので、 学術用語としては、「重力 (の大きさ)」と「質量」を区別する必要があるのだ。

たとえば、人工衛星上では「無重量になる」といわれる。 これが実際どういうことかは、別の回 (たぶん「回転する座標系」のところ) であつかいたい。 ともかく、ものを人工衛星に持っていったとき、 ある意味での「重さ」はなくなるが、ある意味での「重さ」は変わらない。 この変わらないほうが「質量」だ。

質量は、複数の重要な物理法則にあらわれる。

質点の力学、質点系の力学、剛体の力学

現実には、有限の(無限小でない)質量があれば、それは有限の体積に分布している。

しかし、質量が体積無限小の点に集中しているという近似がよくつかわれる。 これを「質点」という。 物体の体積が無視できるほど小さくなくても、 並進運動 (物体の全体が同じ速度で動くこと) が重要であって、回転が無視でき、変形も無視できるばあいには、 質点の近似が有効である。

教科書 第1章では、ひとつの質点の運動をあつかう。

教科書 2.1~2.6節では、「質点系」 つまり相互に力をおよぼしあう複数の質点の運動をあつかう。

並進運動と回転が重要だが、変形は無視できるばあいには、 物体は体積と形をもつが変形しないという「剛体」の近似がよくつかわれる。 教科書では 2.7~2.10節で、剛体の運動をあつかう。

連続体の力学

変形が重要なばあいは、物体を「連続体」としてあつかう。 連続体のなかでは、密度 (単位体積あたりの質量) をはじめとする物理量が、空間座標 (実数の組) の関数となる。

連続体のうちには、変形したものをもとの位置に復元しようとする力がはたらく「弾性体」と、 はたらかない「流体」がある。 (弾性体と流体の中間の性質をもつものもある。)

現実の物体は分子・原子からできていることを考えにいれると、 無限に細分することができる (密度などの物理量を空間座標で微分することができる) 連続体も、現実の物体に対して大幅な理想化をしたものである。

教科書では第3章で流体と弾性体の力学をあつかっている。 この「物理学 I」の授業では、第3章に深入りせず、流体と弾性体とに共通の初歩的なことがらだけをあつかう予定。


2021-09-23
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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