ランダウ力学 §44問題 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§44の問題の解説です.

問題

変分原理\eqref{eq_44-m10}より軌跡の微分方程式を求めよ.

変分原理\eqref{eq_44-m10}は

\begin{align} \delta \int \sqrt{2m \left( E - U(q) \right)} \mathrm{d}l &= 0 \tag{44.10} \label{eq_44-m10} \end{align}

である.

解答作成

変分を実行すると,

\begin{align} &\quad \delta \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \mathrm{d}l \nonumber \\ &= \int \delta \left( \sqrt{2m \left( E - U \right)} \right) \mathrm{d}l + \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \mathrm{d} \left( \delta l \right) \nonumber \\ &= \int \frac{\partial }{\partial \bm{r}} \left( \sqrt{2m \left( E - U \right)} \right) \delta \bm{r} \mathrm{d}l + \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \mathrm{d} \left( \delta l \right) \nonumber \\ &= - \int \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \frac{m}{\sqrt{2m \left( E - U \right)}} \delta \bm{r} \mathrm{d}l + \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \mathrm{d} \left( \delta l \right) \nonumber \end{align}

となる. ここで, $\mathrm{d}l^2 = \mathrm{d}\bm{r}^2$, すなわち$\mathrm{d}l \cdot \mathrm{d}\left( \delta l \right) = \mathrm{d}\bm{r} \cdot \mathrm{d}\left( \delta \bm{r} \right)$となるから,

\begin{align} &\quad \delta \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \mathrm{d}l \nonumber \\ &= - \int \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \frac{m}{\sqrt{2m \left( E - U \right)}} \delta \bm{r} \mathrm{d}l + \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \mathrm{d} \left( \delta \bm{r} \right) \nonumber \\ &= - \int \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \frac{m}{\sqrt{2m \left( E - U \right)}} \delta \bm{r} \mathrm{d}l + \int \sqrt{2m \left( E - U \right)} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \frac{\mathrm{d} \left( \delta \bm{r} \right)}{\mathrm{d} l} \mathrm{d}l \nonumber \\ &= - \int \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \frac{m}{\sqrt{2m \left( E - U \right)}} \delta \bm{r} \mathrm{d}l + \sqrt{2m \left( E - U \right)} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \delta \bm{r} \nonumber \\ &\quad - \int \delta \bm{r} \mathrm{d}l \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} l} \left( \sqrt{2m \left( E - U \right)} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \right) \nonumber \end{align}

となる(ただし, 第2項を部分積分した). 積分の限界では$\delta \bm{r} = 0$となるから, 第2項は消える. 任意の$\delta \bm{r}$に対してこの変分が$0$になるためには,

\begin{align} \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} l} \left( \sqrt{2m \left( E - U \right)} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \right) &= - \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \frac{m}{\sqrt{2m \left( E - U \right)}} \nonumber \\ 2 \sqrt{E - U} \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} l} \left( \sqrt{E - U} \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \right) &= - \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \label{eq_44-e1} \end{align}

とならなくてはならない. これが軌跡の方程式となる.

\eqref{eq_44-e1}の微分を実行する. それにあたって,

\begin{align} \bm{F} &= - \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} , \\ \bm{t} &= \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \end{align}

を導入する. $\bm{F}$は力のベクトルであり, $\mathrm{d} \bm{r} / \mathrm{d} l$は軌跡の接線方向の単位ベクトルである. これらを用いると,

\begin{align} \frac{\mathrm{d} \left( \sqrt{E - U} \right)}{\mathrm{d} l} \bm{t} + \sqrt{E - U} \frac{\mathrm{d}^2 \bm{r}}{\mathrm{d} l^2} &= \frac{\bm{F}}{2 \sqrt{E - U}} \nonumber \\ \left( \frac{\mathrm{d} \bm{r}}{\mathrm{d} l} \cdot \frac{\partial \left( \sqrt{E - U} \right)}{\partial \bm{r}} \right) \bm{t} + \sqrt{E - U} \frac{\mathrm{d}^2 \bm{r}}{\mathrm{d} l^2} &= \frac{\bm{F}}{2 \sqrt{E - U}} \nonumber \\ - \left( \bm{t} \cdot \frac{1}{2 \sqrt{E-U}} \frac{\partial U}{\partial \bm{r}} \right) \bm{t} + \sqrt{E - U} \frac{\mathrm{d}^2 \bm{r}}{\mathrm{d} l^2} &= \frac{\bm{F}}{2 \sqrt{E - U}} \nonumber \\ \left( \bm{F} \cdot \bm{t} \right) \bm{t} + 2 \left( E-U \right) \frac{\mathrm{d}^2 \bm{r}}{\mathrm{d} l^2} &= \bm{F} \nonumber \end{align}

となるから,

\begin{align} \frac{\mathrm{d}^2 \bm{r}}{\mathrm{d} l^2} &= \frac{\bm{F} - \left( \bm{F} \cdot \bm{t} \right) \bm{t}}{2 \left( E-U \right)} \end{align}

となる.

ベクトル$\bm{F} - \left( \bm{F} \cdot \bm{t} \right) \bm{t}$は, 軌跡に垂直な方向への成分$\bm{F}_n$である($\left( \bm{F} \cdot \bm{t} \right) \bm{t}$が軌跡に接する方向への成分であるのだから). 一方, 導関数$\mathrm{d}^2 \bm{r} / \mathrm{d}l^2 = \mathrm{d} \bm{t} / \mathrm{d}l$は, $\bm{n} / R$に等しい($\bm{n}$は軌跡の主法線方向の単位ベクトル, $R$は軌跡の曲率半径). $E-U = mv^2 /2$を代入して,

\begin{align} \bm{n} \frac{mv^2}{R} &= \bm{F}_n \end{align}

を得る.

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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