中心力

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テンプレート:混同 中心力(ちゅうしんりょく、central force)は古典力学において、原点と物体を結ぶ線に沿っている方向に働くである[1]

𝑭(𝒓)=F(𝒓)𝒓^

ここで𝑭は力、𝒓位置ベクトル|𝒓|はその長さ、𝒓^=𝒓/|𝒓|はその単位ベクトルFスカラー関数である。 中心力の議論では球対称性を仮定する場合も多く、その場合にはF(𝒓)は原点からの距離にのみ依存する量F(|𝒓|)になる。 逆に球対称である場合には、力場は中心力場となる。

性質

中心力は保存場であるため、常にポテンシャルの負の勾配として表すことができる。 テンプレート:Indent (積分の上限はポテンシャルが定義されている任意の定数である。)

保存場では、全力学的エネルギー運動エネルギーポテンシャルエネルギー)は保存される。 テンプレート:Indent (ここで𝒓˙𝒓の時間微分を意味しており、言い換えれば速度である。)

また中心力場での角運動量は、力によるトルクがゼロであることより テンプレート:Indent である。結果として物体は角運動量ベクトルと垂直で原点を含む面を動き、ケプラーの第二法則に従う。(角運動量がゼロの場合、物体は原点と物体を結ぶ直線上を運動する。)

保存場であることの結果として、原点を例外として中心力場は渦なし(回転がゼロ)である。

テンプレート:Indent

重力クーロン力F(r)1/r2に比例する中心力の代表例である。このような負のF(引力を意味する)の力場の物体は、ケプラーの法則に従う。

空間的調和振動子の力場はF(r)rに比例し、符号が負である。

ベルトランの定理によれば、これらF(r)=k/r2F(r)=krの場合は安定な閉じた軌道を持つ唯一の中心力場である。

ポテンシャルV(r)湯川ポテンシャルの場合も力は中心力となる。また重力の働く二質点間における二体問題は、その換算質量による中心力場での一体問題に帰着させることができる(他の中心力場でも同様に二体→一体に帰着できる)。

参考文献

関連項目