よくかんがえたら,微分方程式からやらんとあかんのよね。
ちょっとまってね。
なんかできるまでは,講義ノートのなかの自然科学概論(短大用),その他をながめてください。(このノートも,わずかづつですが補填してます。)
これの一番重要な性質は,Cが定数のとき (d/dt)C=dC/dt=0 となること。Cがいくつでも,0でも同じであること。
質点の位置xがtの関数で表されるとする。 これにより質点の運動が記述される。
鉛直投げ上げとか習いました?鉛直方向の座標をxのかわりにzでかくと
z(t)=z0+v0t-1/2 gt2
これは一般の解。初期条件としてz0とv0が与えられた場合ですね。
この初期条件を一般の解からとりのぞけば, 条件を含まないから,いろんな条件に対して使える「法則」 がえられます。このためには,初期条件が2つあるので d/dtを二回使う。
(d/dt)2z(t)=(d2/dt2)z(t)=-g
こうやって得られた方程式は,結局初期条件を分離したもので, 具体的解よりも一段階,より普遍的なものとみなすことができる。もちろんまだこれを法則とまでいえるかは,わからないが。
で,まだ法則は何かをみる前に,次に単純な振動をみてみよう。 一番簡単な一次元の振動は,x(t)=A sin (ωt+δ) これのうち,初期条件で決まるのは何か?また それらをとりのぞくには?
振幅と位相は初期条件による。初期の位置と速度の2つの自由度にちゃんと対応。ωはバネの性質(つよさ)によるでしょう。 Aとδを消すには,(d/dt)sin(t)=cos(t), (d/dt)cos(t)=-sin(t)を思い出せば,
(d/dt)2x(t)=-ω2x(t)
するてーと右辺がまたちがうけど,左辺は再びtの二階微分だね。すると一般に(1次元の)「運動方程式」は
(d/dt)2x(t)=
の形に書ける様な気がしてくる。
右辺が0のときは,(もう,くわしくかかないが,) 等速直線運動がこの方程式の解。 速度が一定の状態を表す。だから,右辺が0でなければ,一般に 速度が変化するということ。右辺に物体の性質による定数mを かけたものを「力」と呼ぼう。 つまり,力の存在は,運動の変化を意味する。
振動運動の例に戻ってみる。 今度は,任意定数のうち位相だけを取り除いてみよう。 sin2(t)+cos2(t)=1 をつかう。これを使うためには,一回微分を使って,
((d/dt)x(t))2+ω2x(t)2= A2ω2
おや,こうすると位相どころか,時刻tによらないものがつくれたぞ。 時間が経過しても,不変ということだ。 もともと,時刻の原点をかえたら,位相を変えただけ(Aは不変!) で同じ解になることが解る。この性質は運動方程式から実は明らかだった。 なぜならあらわに時刻に依存するものが入ってない!
もっと具体的にしめす。さっきつくった式の左辺
((d/dt)x(t))2+ω2x(t)2
を時間で微分すると
2((d/dt)x(t))[(d/dt)2x(t)+ω2x(t)]
これは運動方程式によれば,0だ!
ということは,運動方程式からみれば,一回積分したので, 当然積分常数は,一個分でてきたということ。解から見れば, 一回微分で定数が1個減ったということ。 これが考えている系のエネルギーだ。 (とつぜんつづく)
(つづくのか?)