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早稲田大学 基幹理工学研究科 機械科学・航空宇宙専攻 2024年度 物理 [2]

Author

Miyake

Description

Kai

時刻を \(t\) で表し、微分 \(d/dt\) をドット \(\dot{}\) で表す。

問 1

(1)

\[ \begin{align} x = x , \ \ y = \alpha \sin \theta , \ \ z = - \alpha \cos \theta \end{align} \]

(2)

\[ \begin{align} \dot{y} = \alpha \dot{\theta} \cos \theta , \ \ \dot{z} = \alpha \dot{\theta} \sin \theta \end{align} \]

なので、求めるラグランジアンは

\[ \begin{align} L \left( x, \theta, \dot{x}, \dot{\theta} \right) &= \frac{1}{2} m \left( \dot{x}^2\ + \dot{y}^2 + \dot{z}^2 \right) - mgz \\ &= \frac{1}{2} m \left( \dot{x}^2\ + \alpha^2 \dot{\theta}^2 \right) + mg \alpha \cos \theta \end{align} \]

である。

(3)

\[ \begin{align} \frac{d}{dt} \frac{\partial L}{\partial \dot{x}} &= \frac{d}{dt} m \dot{x} = m \ddot{x} ,\\ \frac{\partial L}{\partial x} &= 0 ,\\ \frac{d}{dt} \frac{\partial L}{\partial \dot{\theta}} &= \frac{d}{dt} m \alpha^2 \dot{\theta} = m \alpha^2 \ddot{\theta} ,\\ \frac{\partial L}{\partial \theta} &= - mg \alpha \sin \theta \end{align} \]

なので、ラグランジュ方程式は

\[ \begin{align} \ddot{x} = 0 , \ \ \alpha \ddot{\theta} = - g \sin \theta \end{align} \]

となる。

問 2