ランダウ力学 §9問題2 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§9の問題2の解説です.

問題

同じことを球座標$r , \theta , \varphi$をつかっておこなえ.

問題1は以下の通り.

粒子の角運動量のデカルト座標での3つの成分とその絶対値の大きさを, 円柱座標$r , \varphi , z$をつかって書き表せ.

解答作成

粒子の角運動量のデカルト座標での3つの成分は,

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} M_x &= m \left( y \dot{z} - z \dot{y} \right) , \nonumber \\ M_y &= m \left( z \dot{x} - x \dot{z} \right) , \nonumber \\ M_z &= m \left( x \dot{y} - y \dot{x} \right) \nonumber \end{aligned} \right. \end{align}

である. 一方, デカルト座標と円柱座標の間の変換則は,

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} x &= r \sin \theta \cos \varphi , \nonumber \\ y &= r \sin \theta \sin \varphi , \nonumber \\ z &= r \cos \theta \nonumber \end{aligned} \right. \end{align}

であるから, これを代入する. $M_x$は

\begin{align} M_x &= m \left\{ r \sin \theta \sin \varphi \left( \dot{r} \cos \theta - r \dot{\theta} \sin \theta \right) \right. \nonumber \\ &\quad \left. - r \cos \theta \left( \dot{r} \sin \theta \sin \varphi + r \dot{\theta} \cos \theta \sin \varphi + r \dot{\varphi} \sin \theta \cos \varphi \right) \right\} \nonumber \\ &= - m r^2 \dot{\theta} \sin \varphi - m r^2 \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \cos \varphi \nonumber \\ &= - m r^2 \left( \dot{\theta} \sin \varphi + \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \cos \varphi \right) \end{align}

となり, $M_y$は

\begin{align} M_y &= m \left\{ r \cos \theta \left( \dot{r} \sin \theta \cos \varphi + r \dot{\theta} \cos \theta \cos \varphi - r \dot{\varphi} \sin \theta \sin \varphi \right) \right. \nonumber \\ &\quad \left. - r \sin \theta \cos \varphi \left( \dot{r} \cos \theta - r \dot{\theta} \sin \theta \right) \right) \nonumber \\ &= m r^2 \dot{\theta} \cos \varphi - m r^2 \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \sin \varphi \nonumber \\ &= m r^2 \left( \dot{\theta} \cos \varphi - \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \sin \varphi \right) \end{align}

となり, $M_z$は

\begin{align} M_z &= m \left\{ r \sin \theta \cos \varphi \left( \dot{r} \sin \theta \sin \varphi + r \dot{\theta} \cos \theta \sin \varphi + r \dot{\varphi} \sin \theta \cos \varphi \right) \right. \nonumber \\ &\quad \left. - r \sin \theta \sin \varphi \left( \dot{r} \sin \theta \cos \varphi + r \dot{\theta} \cos \theta \cos \varphi - r \dot{\varphi} \sin \theta \sin \varphi \right) \right\} \nonumber \\ &= m r^2 \dot{\varphi} \sin^2 \theta \end{align}

となる.

また, $M^2$は

\begin{align} M^2 &= M_x^2 + M_y^2 + M_z^2 \nonumber \\ &= \left\{ - m r^2 \left( \dot{\theta} \sin \varphi + \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \cos \varphi \right) \right\}^2 \nonumber \\ &\quad + \left\{ m r^2 \left( \dot{\theta} \cos \varphi - \dot{\varphi} \sin \theta \cos \theta \sin \varphi \right) \right\}^2 \nonumber \\ &\quad + m^2 r^4 \dot{\varphi}^2 \sin^4 \theta \nonumber \\ &= m^2 r^4 \dot{\theta}^2 + m^2 r^4 \dot{\varphi}^2 \sin^2 \theta \cos^2 \theta + m^2 r^4 \dot{\varphi}^2 \sin^4 \theta \nonumber \\ &= m^2 r^4 \dot{\theta}^2 + m^2 r^4 \dot{\varphi}^2 \sin^2 \theta \nonumber \\ &= m^2 r^4 \left( \dot{\theta}^2 + \dot{\varphi}^2 \sin^2 \theta \right) \end{align}

となる.

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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