運動量の単位は何ですか?


ベストアンサー

共役座標(運動量が対応する座標)によって異なります。距離などの線形座標の場合、共役運動量の単位はキログラムメートル/秒です。しかし、一般に、座標qに共役な運動量pは、qの時間導関数に関するラグランジアンLの導関数として定義されます。

p = \ frac {\ partial L(q、\ dot {q} 、t)} {\ partial \ dot {q}}

ラグランジアンにはエネルギーの単位があるため、座標に単位Aがある場合、共役運動量にはAあたりのジュール秒の単位があります。

たとえば、球座標では、自由粒子のラグランジアンは次のようになります。

L = \ frac {m} {2} \ left(r ^ 2 \ dot {\ theta} ^ 2 + r ^ 2 \ dot {\ phi} ^ 2 \ sin ^ 2(\ theta)\ right)

ここで、\ thetaは極角、\ phiは方位角です。したがって、\ thetaへの運動量共役は

p\_ \ theta = \ frac {\ partial L} {\ partial \ dot {\ theta}} = mr ^ 2 \ dot {\ theta}

この量の単位は、キログラム-平方メートル/秒、または上記の定義を使用すると(同等に)ジュール秒です。角度に共役な運動量(角運動量)は、これらと同じ単位になります。

回答

車を停止するには、運動量と運動エネルギーを失う必要があります。

勢いを失うには、一定時間ブレーキ力が作用する必要があります。運動エネルギーを失うには、与えられた距離に対して制動力が作用する必要があります。

制動距離と力の両方が車の質量に依存するため、車の停止距離を決定するものに対する単一の答えはありません。

つまり、ここでの大きな問題は、車にどのような力が作用しているかということです。停止距離は、運動エネルギーと車を停止するために作用している力に依存します。 2台の車にかかる力が等しい場合、運動エネルギーが大きいほど、停止するまでの距離が長くなります。しかし、運動量と質量は両方とも運動エネルギーに関連しているため、運動量には関係があります。

しかし、力は多くの場合、直接的または間接的に質量に依存します。たとえば、すべり摩擦は、大まかに言えば、質量に比例します。その場合、質量が大きいほど停止力が大きくなり、どちらがさらに移動するかは詳細によって異なります。

例を使用して、力の性質がどのように重要であるかを示しましょう。 3台の車を想像してみましょう。 1号車の質量は1kg、速度は4 m / sです。したがって、p = 4 kg m / sおよびE\_k = 8 J Car2の質量は4kg、速度は1 m / sです。したがって、p = 4 kg m / sおよびE\_k = 2 J Car3の質量は4kg、速度は2 m / sです。したがって、p = 8 kg m / sおよびE\_k = 8 J

==ケース1:力は一定です=== OK…したがって、停止力が一定の2Nであると仮定しましょう。車を停止するには1 8 Jのエネルギーを除去する必要があるため、車は停止する前に4 m移動します(\ Delta E = F \ Delta s、8J = 2N \ Delta s、delta s = 4 m)。 4 kg m / sの運動量を失う必要があるため、停止するのに2秒かかります。つまり、平均速度2 m / s(4 m / sとゼロの中間)で2 s = 4 m移動してから、停止します。うーん…同じ答えです!

2号車はEkの2Jで取り外す必要があるため、停止する前に1mしか移動しません。ただし、4 kg m / sの運動量を取り除く必要があるため、停止するのに2秒かかります。ただし、平均速度は0.5 m / sに過ぎないため、(0.5 m / s)(2 s)= 1mになります。うーん…。

3号車は8J(1号車と同じ)を取り除く必要があるため、4 m(1号車と同じ)で停止します。8kgm / sを取り除く必要があります。勢いがあるので、4秒で停止します。 (8 kgm / s = 2 N x 4秒)。ただし、平均速度は1 m / sであるため、その時間は4 mになります(再びsqame!)

この場合、同じ運動エネルギーを持つ車は同じ距離を移動しましたが、同じ運動量が同じ時間移動しました。

===ケース2:力は質量に依存します===

ここで、力は質量によって変化するとします。たとえば、摩擦係数が0.204の場合、滑り摩擦が作用する可能性があります。そのため、1kgのオブジェクトの摩擦は2N、2kgのオブジェクトの摩擦は4Nなどになります。さて、何ですか?

車1:まだ8 Jのエネルギーを除去する必要があり、力はまだ2 Nなので、まだ8mです。勢いについても同じです。

2号車:まだ2 Jのエネルギーがありますが、停止力は8 Nになっているので、0.25mしか進みません。運動量は4kgm / sなので、8Nの停止力で0.5秒で停止し、(0.5m / s)(0.5s)= 0.25mになります。まだエネルギーに同意していますが、前回とは異なります!

3号車:8JのE\_kと8Nの力で停止し、オブジェクトが1mスライドするようにします。運動量に関しては、8 kg m / sの運動量と8Nの力があるため、平均速度1 m / sで1秒間スライドするため、1mになります。

停止距離は、運動エネルギーだけに依存するわけではありません。しかし、それは勢いだけに依存しているのではなく…停止時間だけに依存しています。運動量が等しい場合、質量が小さい方が速くなるので、同時に停止する前にさらに進みます。

=== TL:DR ===

停止距離が依存することを1つ示す簡単なルールはありません。 それは、質量、力、および初速度に依存します。 物事がどのように止まるかは詳細によって異なりますが、エネルギーを通して見るか、勢いを通して見るか(または他の方法で)、同じ答えが得られます。

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