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東京大学 総合文化研究科 広域科学専攻 広域システム科学系 2020年度 総合科目 第3問

Author

Miyake

Description

質量 \(m_1\) の質点 \(1\) と質量 \(m_2\) の質点 \(2\) が、お互いに万有引力で引き合いながら真空中を運動している。 質点 \(2\) から質点 \(1\) に向かうベクトルを \(\vec{r}\) とし、 二つの質点の重心を原点 \(\text{O}\) とする座標系を用いる。 二つの質点は同一平面内を運動するが、\(\vec{r}\) をその面内の二次元極座標で表し、 動径および方位角成分を \((r, \phi)\) とする。万有引力定数を \(G\) とし、

\[ \begin{aligned} &\mu = \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2} \\ &M = m_1 + m_2 \end{aligned} \]

として、以下の設問に答えよ。なお必要に応じて、時間微分を \(\dot{r}\)\(\dot{\phi}\) などと上付きドットを用いて表しても良い。

(1) 質点 \(1\) および質点 \(2\) の位置ベクトルを、\(m_1\), \(m_2\) および \(\vec{r}\) 用いて表せ。

(2) 二つの質点の運動エネルギーの総和を \(\mu\), \(r\) および \(\phi\) を用いて表せ。

(3) この系の重力ポテンシャルエネルギーを \(\mu\), \(M\), \(r\) および \(G\) を用いて表せ。

(4) \(l \equiv r^2 \phi\) が保存量となることを示せ。

(5) 動径成分 \(r\) についての運動方程式を、\(\mu\), \(M\), \(r\), \(l\) および \(G\) を用いて書き下せ。

(6) 系の全エネルギー \(E\)\(\mu\), \(M\), \(r\), \(l\) および \(G\) で表せ。

(7) \(E\)が最小値を取る時の \(E\) の表式を \(\mu\), \(M\), \(l\) および \(G\) を用いて求め、その時の二つの質点の軌道の様子を述べよ。

(8) \(\vec{r}=(r_1, \phi_1)\) を質点 \(1\) の位置ベクトルとする。 二つの質点のが重力的に束縛されお互いの周りを周回する条件と、その時の \(r_1\)\(\phi_1\) の関係を求めよ。

Kai

(1)

題意より、

\[ \begin{aligned} m_1 \vec{r}_1 + m_2 \vec{r}_2 = \vec{0} , \ \ \ \ \vec{r} = \vec{r}_1 - \vec{r}_2 \end{aligned} \]

であるから、

\[ \begin{aligned} \vec{r}_1 = \frac{m_2}{m_1+m_2} \vec{r} , \ \ \ \ \vec{r}_2 = - \frac{m_1}{m_1+m_2} \vec{r} \end{aligned} \]

を得る。

(2)

\(\vec{r}\) のデカルト座標による成分を \((x,y)\) とすると、

\[ \begin{aligned} x &= r \cos \phi \\ y &= r \sin \phi \\ \dot{x} &= \dot{r} \cos \phi - r \dot{\phi} \sin \phi \\ \dot{y} &= \dot{r} \sin \phi + r \dot{\phi} \cos \phi \\ \left| \dot{\vec{r}} \right|^2 &= \dot{x}^2 + \dot{y}^2 = \dot{r}^2 + r^2 \dot{\phi}^2 \end{aligned} \]

である。

よって、求める運動エネルギー \(K\) は、

\[ \begin{aligned} K &= \frac{1}{2} m_1 \left| \dot{\vec{r}_1} \right|^2 + \frac{1}{2} m_2 \left| \dot{\vec{r}_2} \right|^2 \\ &= \frac{1}{2} \frac{m_1 m_2^2 + m_1^2 m_2}{(m_1+m_2)^2} \left| \dot{\vec{r}} \right|^2 \\ &= \frac{1}{2} \frac{m_1 m_2}{m_1+m_2} \left( \dot{r}^2 + r^2 \dot{\phi}^2 \right) \\ &= \frac{1}{2} \mu \left( \dot{r}^2 + r^2 \dot{\phi}^2 \right) \end{aligned} \]

となる。

(3)

求める重力ポテンシャルエネルギー \(U\) は、

\[ \begin{aligned} U = - G \frac{m_1 m_2}{r} = - \frac{G \mu M}{r} \end{aligned} \]

である。

(4)

この系のラグランジアン \(L\) は、

\[ \begin{aligned} L = K - U = \frac{1}{2} \mu \left( \dot{r}^2 + r^2 \dot{\phi}^2 \right) + \frac{G \mu M}{r} \end{aligned} \]

であり、

\[ \begin{aligned} \frac{\partial L}{\partial \phi} &= 0 \\ \frac{\partial L}{\partial \dot{\phi}} &= \mu r^2 \dot{\phi} = \mu l \end{aligned} \]

であるから、 \(\phi\) に関する運動方程式より、 \(l\) が保存量であることがわかる。

(5)

上で求めたラグランジアン \(L\) から、

\[ \begin{aligned} \frac{\partial L}{\partial r} &= \mu r \dot{\phi}^2 - \frac{G \mu M}{r^2} = \frac{\mu l^2}{r^3} - \frac{G \mu M}{r^2} \\ \frac{\partial L}{\partial \dot{r}} &= \mu \dot{r} \end{aligned} \]

であるから、 \(r\) に関する運動方程式は、

\[ \begin{aligned} \mu \ddot{r} &= \frac{\mu l^2}{r^3} - \frac{G \mu M}{r^2} \\ \therefore \ \ \ \ \ddot{r} &= \frac{l^2}{r^3} - \frac{G M}{r^2} \end{aligned} \]

となる。

(6)

\[ \begin{aligned} E = K + U &= \frac{1}{2} \mu \left( \dot{r}^2 + r^2 \dot{\phi}^2 \right) - \frac{G \mu M}{r} \\ &= \frac{1}{2} \mu \left( \dot{r}^2 + \frac{l^2}{r^2} \right) - \frac{G \mu M}{r} \end{aligned} \]

(7)

\[ \begin{aligned} V(r) = \frac{1}{2} \mu \frac{l^2}{r^2} - \frac{G \mu M}{r} \end{aligned} \]

とすると、

\[ \begin{aligned} V'(r) &= - \mu \frac{l^2}{r^3} + \frac{G \mu M}{r^2} \\ &= \mu \frac{- l^2 + G M r}{r^3} \end{aligned} \]

となるので、

\[ \begin{aligned} r_0 = \frac{l^2}{GM} \end{aligned} \]

とすると、 \(V(r)\) が最小値をとるのは \(r=r_0\) のときで、

\[ \begin{aligned} V(r_0) = - \frac{1}{2} \frac{G^2 \mu M^2}{l^2} \end{aligned} \]

となる。

\(E\) が最小値 \(E_0\) をとるのもこのときで、

\[ \begin{aligned} E_0 = - \frac{1}{2} \frac{G^2 \mu M^2}{l^2} \end{aligned} \]

である。

(8)