プリンキピア

第2章ベクトル

Polar Coordinates極座標

To describe locations of points or vectors in a plane, we need two orthogonal directions. In the Cartesian coordinate system these directions are given by unit vectors i^ and j^ along the x-axis and the y-axis, respectively. The Cartesian coordinate system is very convenient to use in describing displacements and velocities of objects and the forces acting on them. However, it becomes cumbersome when we need to describe the rotation of objects. When describing rotation, we usually work in the polar coordinate system.
英語のヒント
平面内の点やベクトルの位置を表すには、直交する二つの方向が必要である。デカルト座標系では、それらをx軸とy軸に沿う単位ベクトルi^とj^で与える。デカルト座標系は、物体の変位や速度、物体に働く力を表すのに非常に便利である。しかし、物体の回転を表す必要があると、扱いにくくなる。回転を表すときは、通常、極座標系を使う。
In the polar coordinate system, the location of point P in a plane is given by two polar coordinates (Figure 2.20). The first polar coordinate is the radial coordinate r, which is the distance of point P from the origin. The second polar coordinate is an angle φ that the radial vector makes with some chosen direction, usually the positive x-direction. In polar coordinates, angles are measured in radians, or rads. The radial vector is attached at the origin and points away from the origin to point P. This radial direction is described by a unit radial vector r^. The second unit vector t^ is a vector orthogonal to the radial direction r^. The positive +t^ direction indicates how the angle φ changes in the counterclockwise direction. In this way, a point P that has coordinates (x, y) in the rectangular system can be described equivalently in the polar coordinate system by the two polar coordinates (r,φ). Equation 2.17 is valid for any vector, so we can use it to express the x- and y-coordinates of vector r→. In this way, we obtain the connection between the polar coordinates and rectangular coordinates of point P:
英語のヒント
極座標系では、平面内の点Pの位置を二つの極座標で与える(図2.20)。第1の極座標は動径座標rで、原点から点Pまでの距離である。第2の極座標は角φで、動径ベクトルと、選んだ方向(通常はxの正方向)のなす角である。極座標では、角をラジアン(rad)で測る。動径ベクトルは原点に付けられ、原点から離れて点Pへ向かう。この動径方向を単位動径ベクトルr^で表す。第2の単位ベクトルt^は、動径方向r^に直交するベクトルである。正方向+t^は、角φが反時計回りに変わる向きを示す。こうして、直交座標系で座標(x, y)を持つ点Pを、極座標系では二つの極座標(r,φ)で同じように表せる。式2.17はどのベクトルにも成り立つため、ベクトルr→のx座標とy座標を表すのにも使える。このように、点Pの極座標と直交座標の関係が得られる。
ベクトルrはxy座標系の原点から点Pへ向かい、xの正方向とのなす角はφ。x = r cos φ、y = r sin φである。rの方向の直線を点Pの先へ伸ばし、同方向に単位ベクトルrハットを描く。単位ベクトルtハットはrハットに垂直で、反時計回りに90度の方向を向く。

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Figure 2.20図 2.20
Using polar coordinates, the unit vector r^ defines the positive direction along the radius r (radial direction) and, orthogonal to it, the unit vector t^ defines the positive direction of rotation by the angle φ.
英語のヒント
極座標では、単位ベクトルr^が半径rに沿う正方向(動径方向)を定める。それと直交する単位ベクトルt^は、角φによる回転の正方向を定める。
Example 2.6例題 2.6

Polar Coordinates極座標

A treasure hunter finds one silver coin at a location 20.0 m away from a dry well in the direction 20° north of east and finds one gold coin at a location 10.0 m away from the well in the direction 20° north of west. What are the polar and rectangular coordinates of these findings with respect to the well?
英語のヒント
宝探しをする人が、干上がった井戸から、東から北へ20°の方向に20.0 m離れた場所で銀貨を1枚、西から北へ20°の方向に10.0 m離れた場所で金貨を1枚見つける。井戸を基準とした、これらの発見場所の極座標と直交座標はいくらか。

Strategy方針

The well marks the origin of the coordinate system and east is the +x-direction. We identify radial distances from the locations to the origin, which are rS=20.0m (for the silver coin) and rG=10.0m (for the gold coin). To find the angular coordinates, we convert 20° to radians: 20°=π20/180=π/9. We use Equation 2.18 to find the x- and y-coordinates of the coins.
英語のヒント
井戸を座標系の原点とし、東を+x方向とする。各場所から原点までの動径方向の距離は、銀貨がrS=20.0m、金貨がrG=10.0mである。角座標を求めるため、20°をラジアンへ換算すると、20°=π20/180=π/9となる。式2.18を使い、硬貨のx座標とy座標を求める。

Solution解答

The angular coordinate of the silver coin is φS=π/9, whereas the angular coordinate of the gold coin is φG=π−π/9=8π/9. Hence, the polar coordinates of the silver coin are (rS,φS)=(20.0m,π/9) and those of the gold coin are (rG,φG)=(10.0m,8π/9). We substitute these coordinates into Equation 2.18 to obtain rectangular coordinates. For the gold coin, the coordinates are
英語のヒント
銀貨の角座標はφS=π/9、金貨の角座標はφG=π−π/9=8π/9である。したがって、銀貨の極座標は(rS,φS)=(20.0m,π/9)、金貨は(rG,φG)=(10.0m,8π/9)となる。これらを式2.18へ代入して直交座標を得る。金貨の座標は次のとおりである。
{xG=rGcosφG=(10.0m)cos8π/9=−9.4myG=rGsinφG=(10.0m)sin8π/9=3.4m⇒(xG,yG)=(−9.4m,3.4m).
For the silver coin, the coordinates are
英語のヒント
銀貨の座標は、次のとおりである。
{xS=rScosφS=(20.0m)cosπ/9=18.9myS=rSsinφS=(20.0m)sinπ/9=6.8m⇒(xS,yS)=(18.9m,6.8m).

Vectors in Three Dimensions3次元のベクトル

To specify the location of a point in space, we need three coordinates (x, y, z), where coordinates x and y specify locations in a plane, and coordinate z gives a vertical position above or below the plane. Three-dimensional space has three orthogonal directions, so we need not two but three unit vectors to define a three-dimensional coordinate system. In the Cartesian coordinate system, the first two unit vectors are the unit vector of the x-axis i^ and the unit vector of the y-axis j^. The third unit vector k^ is the direction of the z-axis (Figure 2.21). The order in which the axes are labeled, which is the order in which the three unit vectors appear, is important because it defines the orientation of the coordinate system. The order x-y-z, which is equivalent to the order i^ - j^ - k^, defines the standard right-handed coordinate system (positive orientation). Notice that while previously the y-axis was used for the upward direction, in three dimensions we usually choose z to represent the vertical. A right-handed coordinate system with z up and with one of the remaining axes pointing to the right and the other out of the page must have the y-axis pointing right and x out of the page, as illustrated here.
英語のヒント
空間内の点の位置を指定するには、三つの座標(x, y, z)が必要である。xとyは平面内の位置を指定し、zはその平面より上または下の鉛直位置を与える。3次元空間には直交する三つの方向があるため、3次元座標系を定めるには、単位ベクトルも二つではなく三つ必要となる。デカルト座標系では、最初の二つはx軸の単位ベクトルi^とy軸の単位ベクトルj^である。第3の単位ベクトルk^はz軸の方向である(図2.21)。軸に名前を付ける順番、つまり三つの単位ベクトルが並ぶ順番は重要である。座標系の向きを定めるからだ。x−y−zという順番は、i^−j^−k^の順番に等しく、標準的な右手座標系(正の向き)を定める。以前は上向きにy軸を使っていたが、3次元では通常、鉛直方向をzで表すことに注意しよう。zを上向きとし、残りの軸の一方を右、他方を紙面の手前へ向ける右手座標系では、ここに示すようにy軸が右、x軸が手前を向かなければならない。
xyz座標系と、その単位ベクトルiハット、jハット、kハット。iハットは紙面の手前、jハットは右、kハットは紙面の上を向く。単位ベクトルは立方体の辺を作る。

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Figure 2.21図 2.21
Three unit vectors define a Cartesian system in three-dimensional space. The order in which these unit vectors appear defines the orientation of the coordinate system. The order shown here defines the right-handed orientation.
英語のヒント
三つの単位ベクトルが、3次元空間のデカルト座標系を定める。これらが並ぶ順番によって、座標系の向きが定まる。ここでの順番は、右手系の向きを定める。
In three-dimensional space, vector A→ has three vector components: the x-component A→x=Axi^, which is the part of vector A→ along the x-axis; the y-component A→y=Ayj^, which is the part of A→ along the y-axis; and the z-component A→z=Azk^, which is the part of the vector along the z-axis. A vector in three-dimensional space is the vector sum of its three vector components (Figure 2.22):
英語のヒント
3次元空間のベクトルA→には、三つのベクトル成分がある。x成分A→x=Axi^はベクトルA→のx軸に沿う部分、y成分A→y=Ayj^はA→のy軸に沿う部分、z成分A→z=Azk^はz軸に沿う部分である。3次元空間のベクトルは、三つのベクトル成分の和である(図2.22)。
If we know the coordinates of its origin b(xb,yb,zb) and of its end e(xe,ye,ze), its scalar components are obtained by taking their differences: Ax and Ay are given by Equation 2.13 and the z-component is given by
英語のヒント
起点b(xb,yb,zb)と終点e(xe,ye,ze)の座標がわかれば、その差を取ることでスカラー成分が得られる。AxとAyは式2.13で与えられ、z成分は次で与えられる。
Magnitude A is obtained by generalizing Equation 2.15 to three dimensions:
英語のヒント
大きさAは、式2.15を3次元へ一般化することで得られる。
This expression for the vector magnitude comes from applying the Pythagorean theorem twice. As seen in Figure 2.22, the diagonal in the xy-plane has length Ax2+Ay2 and its square adds to the square Az2 to give A2. Note that when the z-component is zero, the vector lies entirely in the xy-plane and its description is reduced to two dimensions.
英語のヒント
このベクトルの大きさの式は、ピタゴラスの定理を2回適用することで得られる。図2.22のように、xy平面内の対角線の長さはAx2+Ay2である。その2乗とAz2の和がA2となる。z成分が0なら、ベクトル全体がxy平面内にあり、2次元での記述に帰着することに注意しよう。
xyz座標系の原点からベクトルAが伸びる。AはベクトルA_x、A_y、A_zの和に等しい。A_xはx軸に沿うx成分で、A_x iハット。A_yはy軸に沿うy成分で、A_y jハット。A_zはz軸に沿うz成分で、A_x kハットと表示される。成分は、辺の長さがA_x、A_y、A_zの直方体の辺を作る。

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Figure 2.22図 2.22
A vector in three-dimensional space is the vector sum of its three vector components.
英語のヒント
3次元空間のベクトルは、三つのベクトル成分の和である。
Example 2.7例題 2.7

Takeoff of a Drone無人航空機の離陸

During a takeoff of IAI Heron (Figure 2.23), its position with respect to a control tower is 100 m above the ground, 300 m to the east, and 200 m to the north. One minute later, its position is 250 m above the ground, 1200 m to the east, and 2100 m to the north. What is the drone’s displacement vector with respect to the control tower? What is the magnitude of its displacement vector?
英語のヒント
IAIヘロン(図2.23)の離陸中、管制塔を基準とした位置が、地上100 m、東へ300 m、北へ200 mである。1分後、位置は地上250 m、東へ1200 m、北へ2100 mとなる。管制塔を基準とした無人航空機の変位ベクトルはいくらか。その大きさはいくらか。
無人航空機の写真。

(credit: SSgt Reynaldo Ramon, USAF) The appearance of U.S. Department of Defense visual information does not imply or constitute DoD endorsement. · US government public-domain visual information; OpenStax additions CC BY 4.0 · Source出典

Figure 2.23図 2.23
The drone IAI Heron in flight. (credit: SSgt Reynaldo Ramon, USAF)
英語のヒント
飛行中の無人航空機IAIヘロン。(出典:米空軍Reynaldo Ramon軍曹)

Strategy方針

We take the origin of the Cartesian coordinate system as the control tower. The direction of the +x-axis is given by unit vector i^ to the east, the direction of the +y-axis is given by unit vector j^ to the north, and the direction of the +z-axis is given by unit vector k^, which points up from the ground. The drone’s first position is the origin (or, equivalently, the beginning) of the displacement vector and its second position is the end of the displacement vector.
英語のヒント
デカルト座標系の原点を管制塔とする。+x軸の方向を東向きの単位ベクトルi^、+y軸の方向を北向きの単位ベクトルj^、+z軸の方向を地面から上へ向く単位ベクトルk^で与える。無人航空機の最初の位置が変位ベクトルの起点(始点)であり、2番目の位置が終点である。

Solution解答

We identify b(300.0 m, 200.0 m, 100.0 m) and e(1200 m, 2100 m, 250 m), and use Equation 2.13 and Equation 2.20 to find the scalar components of the drone’s displacement vector:
英語のヒント
b(300.0 m, 200.0 m, 100.0 m)、e(1200 m, 2100 m, 250 m)と特定し、式2.13と式2.20を使って、無人航空機の変位ベクトルのスカラー成分を求める。
{Dx=xe−xb=1200.0m−300.0m=900.0m,Dy=ye−yb=2100.0m−200.0m=1900.0m,Dz=ze−zb=250.0m−100.0m=150.0m.
We substitute these components into Equation 2.19 to find the displacement vector:
英語のヒント
これらの成分を式2.19へ代入し、変位ベクトルを求める。
D→=Dxi^+Dyj^+Dzk^=900.0mi^+1900.0mj^+150.0mk^=(0.90i^+1.90j^+0.15k^)km.
We substitute into Equation 2.21 to find the magnitude of the displacement:
英語のヒント
式2.21へ代入して、変位の大きさを求める。
D=Dx2+Dy2+Dz2=(0.90km)2+(1.90km)2+(0.15km)2=2.11km.