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第10章固定軸まわりの回転

10.2 Rotation with Constant Angular Acceleration10.2 等角加速度の回転

Learning Objectives学習目標

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By the end of this section, you will be able to:
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この節を終えると、次のことができるようになる。
  • Derive the kinematic equations for rotational motion with constant angular acceleration
    英語のヒント
    一定角加速度での回転運動を表す運動学の式を導く。
  • Select from the kinematic equations for rotational motion with constant angular acceleration the appropriate equations to solve for unknowns in the analysis of systems undergoing fixed-axis rotation
    英語のヒント
    固定軸の周りに回転する系を分析するとき、一定角加速度の運動学の式から、未知量を求めるのに適切な式を選ぶ。
  • Use solutions found with the kinematic equations to verify the graphical analysis of fixed-axis rotation with constant angular acceleration
    英語のヒント
    運動学の式から得た解を使って、一定角加速度での固定軸の周りの回転のグラフによる分析を確認する。
In the preceding section, we defined the rotational variables of angular displacement, angular velocity, and angular acceleration. In this section, we work with these definitions to derive relationships among these variables and use these relationships to analyze rotational motion for a rigid body about a fixed axis under a constant angular acceleration. This analysis forms the basis for rotational kinematics. If the angular acceleration is constant, the equations of rotational kinematics simplify, similar to the equations of linear kinematics discussed in Motion along a Straight Line and Motion in Two and Three Dimensions. We can then use this simplified set of equations to describe many applications in physics and engineering where the angular acceleration of the system is constant. Rotational kinematics is also a prerequisite to the discussion of rotational dynamics later in this chapter.
英語のヒント
前節では、回転を表す量である角変位、角速度、角加速度を定義した。本節ではそれらの定義から各量の関係を導き、剛体が固定軸の周りを一定の角加速度で回転する運動を分析する。この分析は、回転の運動学の基礎となる。角加速度が一定なら、「直線に沿う運動」や「2次元と3次元の運動」で扱った並進の運動学の式と同じように、回転の運動学の式も単純になる。この単純化した一組の式で、系の角加速度が一定の、多くの物理学・工学上の応用を記述できる。回転の運動学は、本章の後半で回転の力学を論じるための前提でもある。

Kinematics of Rotational Motion回転運動の運動学

Using our intuition, we can begin to see how the rotational quantities θ, ω, α, and t are related to one another. For example, we saw in the preceding section that if a flywheel has an angular acceleration in the same direction as its angular velocity vector, its angular velocity increases with time and its angular displacement also increases. On the contrary, if the angular acceleration is opposite to the angular velocity vector, its angular velocity decreases with time. We can describe these physical situations and many others with a consistent set of rotational kinematic equations under a constant angular acceleration. The method to investigate rotational motion in this way is called kinematics of rotational motion.
英語のヒント
直観を使えば、回転を表す量θ、ω、α、tの関係が見えてくる。例えば前節で見たように、はずみ車の角加速度が角速度ベクトルと同じ向きなら、角速度は時間とともに増し、角変位も増える。反対に、角加速度が角速度ベクトルと逆向きなら、角速度は時間とともに減る。角加速度が一定なら、これらの状況や多くのほかの状況を、整合した一組の回転の運動学の式で記述できる。このように回転運動を調べる方法を、回転運動の運動学という。
To begin, we note that if the system is rotating under a constant acceleration, then the average angular velocity follows a simple relation because the angular velocity is increasing linearly with time. The average angular velocity is just half the sum of the initial and final values:
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まず、系が一定の加速度で回転する場合、角速度が時間に比例して増すため、平均角速度が単純な関係に従うことに注意しよう。平均角速度は、初めと最後の値の和の半分である。
From the definition of the average angular velocity, we can find an equation that relates the angular position, average angular velocity, and time:
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平均角速度の定義から、角位置、平均角速度、時間を関係づける式を求められる。
ω–=ΔθΔt.
Solving for θ, we have
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θについて解くと、次を得る。
where we have set t0=0. This equation can be very useful if we know the average angular velocity of the system. Then we could find the angular displacement over a given time period. Next, we find an equation relating ω, α, and t. To determine this equation, we start with the definition of angular acceleration:
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ここではt0=0とした。この式は、系の平均角速度が分かっている場合に役立ち、ある時間区間の角変位を求められる。次に、ω、α、tを関係づける式を求める。そのために、角加速度の定義から始める。
α=dωdt.
We rearrange this to get αdt=dω and then we integrate both sides of this equation from initial values to final values, that is, from t0 to t and ω0toωf. In uniform rotational motion, the angular acceleration is constant so it can be pulled out of the integral, yielding two definite integrals:
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式を整理してαdt=dωとし、両辺を初期値から最終値まで、つまりt0からt、およびω0からωfまで積分する。一様な回転運動では角加速度は一定なので、積分の外へ出せる。その結果、二つの定積分を得る。
α∫t0tdt′=∫ω0ωfdω.
Setting t0=0, we have
英語のヒント
t0=0と置くと、次を得る。
αt=ωf−ω0.
We rearrange this to obtain
英語のヒント
整理すると、次を得る。
where ω0 is the initial angular velocity. Equation 10.11 is the rotational counterpart to the linear kinematics equation vf=v0+at. With Equation 10.11, we can find the angular velocity of an object at any specified time t given the initial angular velocity and the angular acceleration.
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ここで、ω0は初めの角速度である。式10.11は、並進の運動学の式vf=v0+atに対応する回転の式である。式10.11を使えば、初めの角速度と角加速度から、任意の指定した時刻tにおける物体の角速度を求められる。
Let’s now do a similar treatment starting with the equation ω=dθdt. We rearrange it to obtain ωdt=dθ and integrate both sides from initial to final values again, noting that the angular acceleration is constant and does not have a time dependence. However, this time, the angular velocity is not constant (in general), so we substitute in what we derived above:
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次はω=dθdtから出発し、同様の処理を行う。ωdt=dθと変形し、角加速度が一定で時間に依存しないことに注意しながら、再び両辺を初期値から最終値まで積分する。ただし今度は、角速度は一般には一定でない。そのため、先ほど導いた式を代入する。
∫t0tf (ω0+ αt′)dt′ = ∫θ0θf dθ; ∫t0 tω0dt+ ∫t0t αt′dt′=∫θ0θfdθ=[ω0t′+α((t′)22)]t0t=ω0t+α(t22)=θf−θ0,
where we have set t0=0. Now we rearrange to obtain
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ここではt0=0とした。整理すると、次を得る。
Equation 10.12 is the rotational counterpart to the linear kinematics equation found in Motion Along a Straight Line for position as a function of time. This equation gives us the angular position of a rotating rigid body at any time t given the initial conditions (initial angular position and initial angular velocity) and the angular acceleration.
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式10.12は、「直線に沿う運動」で得た、位置を時間の関数として表す並進の運動学の式に対応する回転の式である。初期条件(初めの角位置と角速度)および角加速度が分かれば、この式は任意の時刻tにおける回転剛体の角位置を与える。
We can find an equation that is independent of time by solving for t in Equation 10.11 and substituting into Equation 10.12. Equation 10.12 becomes
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式10.11をtについて解いて式10.12へ代入すれば、時間を含まない式を得られる。式10.12は次のようになる。
θf=θ0+ω0(ωf−ω0α)+12α(ωf−ω0α)2=θ0+ω0ωfα−ω02α+12ωf2α−ω0ωfα+12ω02α=θ0+12ωf2α−12ω02α, θf−θ0=ωf2−ω022α
or
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すなわち、
Equation 10.10 through Equation 10.13 describe fixed-axis rotation for constant acceleration and are summarized in Table 10.1.
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式10.10から式10.13までは、一定の加速度での固定軸の周りの回転を記述する。表10.1にまとめる。

Kinematic Equations運動学の式

Angular displacement from average angular velocity
平均角速度から角変位を求める
θf=θ0+ω–t
Angular velocity from angular acceleration
角加速度から角速度を求める
ωf=ω0+αt
Angular displacement from angular velocity and angular acceleration
角速度と角加速度から角変位を求める
θf=θ0+ω0t+12αt2
Angular velocity from angular displacement and angular acceleration
角変位と角加速度から角速度を求める
ωf2=ω02+2α(Δθ)
Table 10.1表 10.1