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§40の問題3の解説です.
問題
質量$M$の1質点と質量$m$の$n$個の質点とからなる系のHamiltonianを, 慣性中心の運動を消去した形で, 求めよ.
解答作成
Lagrangianは§13問題で求めていて,
\begin{align}
L &= \frac{m}{2} \sum_a \bm{v}_a^2 - \frac{m^2}{2 \left( M + nm \right)} \left( \sum_a \bm{v}_a \right)^2 - U
\end{align}
である. よって, エネルギーは,
\begin{align}
E &= \frac{m}{2} \sum_a \bm{v}_a^2 - \frac{m^2}{2 \left( M + nm \right)} \left( \sum_a \bm{v}_a \right)^2 + U \label{eq_40-3e1}
\end{align}
となる.
一方, 一般運動量は
\begin{align}
\bm{p}_a &= \frac{\partial L}{\partial \bm{v}_a} \nonumber \\
&= m \bm{v}_a - \frac{m^2}{M + nm} \sum_b \bm{v}_b
\end{align}
となる. これを全ての$a$について和をとれば,
\begin{align}
\sum_a \bm{p}_a &= m \sum_a \bm{v}_a - \frac{nm^2}{M + nm} \sum_b \bm{v}_b \nonumber \\
&= \left( \frac{m \left( M + nm \right)}{M + nm} - \frac{nm^2}{M + nm} \right) \sum_a \bm{v}_a \nonumber \\
&= \frac{mM}{M + nm} \sum_a \bm{v}_a
\end{align}
であるから,
\begin{align}
\bm{p}_a &= m \bm{v}_a - \frac{m^2}{M + nm} \frac{M + nm}{mM} \sum_b \bm{p}_b \nonumber \\
&= m \bm{v}_a - \frac{m}{M} \sum_b \bm{p}_b
\end{align}
となり, $\bm{v}_a$に関して整理して,
\begin{align}
\bm{v}_a &= \frac{\bm{p}_a}{m} + \frac{1}{M} \sum_b \bm{p}_b \label{eq_40-3e2}
\end{align}
となる.
\eqref{eq_40-3e1}, \eqref{eq_40-3e2}より, Hamiltonianは,
\begin{align}
H &= \frac{m}{2} \sum_a \left( \frac{\bm{p}_a}{m} + \frac{1}{M} \sum_b \bm{p}_b \right)^2 \nonumber \\
&\quad - \frac{m^2}{2 \left( M + nm \right)} \frac{\left( M + nm \right)^2}{m^2M^2} \left( \sum_a \bm{p}_a \right)^2 + U \nonumber \\
&= \frac{1}{2m} \sum_a \bm{p}_a^2 + \frac{1}{M} \left( \sum_a \bm{p}_a \right)^2 \nonumber \\
&\quad + \frac{nm}{2M^2} \left( \sum_a \bm{p}_a \right)^2 - \frac{M + nm}{2M^2} \left( \sum_a \bm{p}_a \right)^2 + U \nonumber \\
&= \frac{1}{2m} \sum_a \bm{p}_a^2 + \frac{1}{2M} \left( \sum_a \bm{p}_a \right)^2 + U
\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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