ランダウ力学 §15問題1 解説

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物理学 力学

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ランダウ゠リフシッツ理論物理学教程の力学(増訂第3版)の§15の問題1の解説です.

問題

$U = - \alpha / r$という場において$E=0$で(放物線にそって)運動する質点の座標の時間に対する関係を求めよ.

解答作成

時間を決定する積分

\begin{align} t = \int \frac{\mathrm{d} r}{\sqrt{\frac{2}{m} \left( E - U(r) \right) - \frac{M^2}{m^2 r^2}}} + \text{const} \tag{14.6} \end{align}

より, $U = - \alpha / r$, $E=0$として,

\begin{align} t &= \int \left( \frac{2 \alpha}{mr} - \frac{M^2}{m^2 r^2} \right)^{-\frac{1}{2}} \mathrm{d}r + \text{const} \nonumber \\ &= \sqrt{\frac{m}{2\alpha}} \int \frac{r \, \mathrm{d}r}{\sqrt{r - \frac{M^2}{2\alpha m}}} + \text{const} \nonumber \\ &= \sqrt{\frac{m}{2\alpha}} \int \frac{r \, \mathrm{d}r}{\sqrt{r - \frac{p}{2}}} + \text{const} \nonumber \end{align}

となる*1. ここで,

\begin{align} r &= \frac{p}{2} \left( 1+ \eta^2 \right) \nonumber \end{align}

の置換を用いると,

\begin{align} t &= \sqrt{\frac{mp^3}{\alpha}} \frac{1}{2} \int \left( 1+\eta^2 \right) \mathrm{d}\eta + \text{const} \nonumber \\ &= \sqrt{\frac{mp^3}{\alpha}} \frac{\eta}{2} \left( 1+ \frac{\eta^2}{3} \right) + \text{const} \nonumber \end{align}

となる.

また, $x = r \cos \varphi$について,

\begin{align} \frac{p}{r} = 1 + e \cos \varphi \tag{15.5} \end{align}

*2$e=1$として,

\begin{align} x &= p-r \nonumber \\ &= p - \frac{p}{2} \left( 1+ \eta^2 \right) \nonumber \\ &= \frac{p}{2} \left( 1 - \eta^2 \right) \nonumber \end{align}

となり, また

\begin{align} y &= \sqrt{r^2 - x^2} \nonumber \\ &= \sqrt{\frac{p^2}{4} \left( 1+ \eta^2 \right)^2 - \frac{p^2}{4} \left( 1 - \eta^2 \right)^2} \nonumber \\ &= p \eta \nonumber \end{align}

となる.

以上をまとめると, パラメータ表示で($t$の原点を$\text{const} = 0$となるように選ぶ),

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} r &= \frac{p}{2} \left( 1+ \eta^2 \right) , \\ t &= \sqrt{\frac{mp^3}{\alpha}} \frac{\eta}{2} \left( 1+ \frac{\eta^2}{3} \right) , \\ x &= \frac{p}{2} \left( 1 - \eta^2 \right) , \\ y &= p \eta \end{aligned} \right. \end{align}

となる. パラメータ$\eta$の値は$- \infty$から$\infty$まで変わる.

参考文献

Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. 力学. 広重徹, 水戸巌訳, 増訂第3版, 東京図書, 1974, 214p.

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脚注

*1 : $p$は

\begin{align} p = \frac{M^2}{m \alpha} \tag{15.4a} \end{align}

で与えられる.

*2 : $e$は

\begin{align} e = \sqrt{\frac{2EM^2}{m\alpha^2} + 1} \tag{15.4b} \end{align}

で与えられる.

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