ランダウ力学 §40問題3 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§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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