2021/12/18

高校物理の難しさ (等速円運動について)

大学受験生の諸君。
勉強ははかどっているかね?ほぅそうかそれは何よりだ。

さて、あらかじめ言っておく。
学校や予備校で仕込まれたとーーーりに勉強するのが好きな子は、こんなブログは読まなくていいんだ、むしろ読まない方がよい。
むしろ、言いなりの勉強にもううんざりしている正直者の君たち、そうだよ君たちのようなバカな秀才を僕は待っていたんだよ。
とくに女子を待っていた。
なぜ女子の読者が望ましいかって?それは女子の方が何事も正直かつ真面目だからだ。
このブログはどこかしこ不真面目に書いているので、ちょうどいいのだ。
どのくらい不真面目かといえば、以下の投稿くらいだ。


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この宇宙に、完全無欠な正円軌道で永遠に運動し続けるモノが在りうるだろうか?

なるほど、物体間の万有引力(重力)や電子間の力を観察すれば、数学上はそういうことになっているという説明もある。
しかし、或る物体が別の物体に対して完全無欠な正円を描きつつずーーーーーーーっとぐるぐる回っているならば、宇宙の物体も物質も力もエネルギーも永遠不変にずーーーーーーと同じ姿形であり続けなければおかしいのでは?
核融合も核分裂もいっさいせぬままにだよ?
そんな物体だか物質だか力だからエネルギーだか、本当に在るのだろうか?
どこに?


数学上の理屈でいえば ─
或る物体の質点が或る完全無欠な正円の円弧上をぐーるぐるぐると等速で回転移動し続けている(ことになっている)として、いわゆる弧度法にのっとり、この円の中心角Θと半径rと質点移動の円弧長sのラジアン関係までがまず明らか、だから中心の回転角速度ωも表現出来、この質点の円弧上の移動速度は常にv=rωであると。
ついでに、円周長さ2πと角速度ωをもとに一周ごと周期時間Tも書ける。

さてこの円周を等速で動き続ける質点の、或る瞬間の位置と別の瞬間の位置を弦として結びつつ、さらに円半径とつなげてみれば二等辺三角形が描け、この弦長は中心角がちっちゃければちっちゃいほど一瞬一瞬の弧長に限りなく近似し、よって半径とは直交し ─ と、このあたりはたぶん中学数学で習うんじゃないのかな。
しかも、ここでの二等辺三角形はこの質点の瞬間瞬間の速度と方位と角度を表しているので、瞬間ごとのベクトル表現として捉えることもできる。

もういちいち書くのも面倒だから数学計算は端折りつつ、瞬間の速度と加速度とそれらの方位と角度と弦長(≒弧長)をだな、ベクトルとしてかつ弧度法にも則りつつ、掻い摘んでまとめてみれば;
瞬間の速度変化の大きさはΔv=vΔΘ=vωΔtとなり、さらに加速度aの大きさはΔv/Δtでありつつこれがとも同じであるので、ひっくるめてこの質点の円運動の加速度はa=vω=rω2=v2/r となる(これがいわゆる向心加速度ってやつ)。
そして一瞬一瞬の加速度の向きはつねに円の内側に直交している…



数学が好きな人は更にいろいろと検証するのが楽しいのだろが、俺はそういうのは嫌いだからもうあれこれ付き合うのはやめだ。
ともあれ、この向心加速度を力(運動)ベースとして運動方程式に乗っければ F=ma=mrω2=m(v2/r )となり、これは例えば荷電粒子の電荷と磁束密度にかかるローレンツ力のぐるぐる等速円運動と向心力においてもそのまんま使える(これも知ってんだろ)。
しかしだぜ、この荷電粒子にしてもだ、磁場において運動エネルギーが散逸せぬままずーーっと等速円運動をすることにはなっているが、ホントに永遠にこう在り続ける電子やエネルギーが在りうるのかね?
大学入試問題でもチラホラ出題されるサイクロトロンなどはどう考えればよいのか。

ここだよ、ここんところ。
宇宙の創成から現代まで、さらに遠くとおく遥か超遠大な未来宇宙まで、さまざまな物質の組成と力とエネルギーのそれぞれがだよ、ずっと変わらないのかね?



物理の目的のひとつは、たぶん、万物とそれらの在りようをミクロにミクロにもっとミクロに割って引いて微分して、そういうデジタルなフラグメンツの一つひとつを観察し、ほーらどれもこれも数学上きちんと完結しているから真理だろうと認証することだろう。
(じっさい、物理が苦手な子にとっての基本的なトレーニングとしては、とりあえず上に挙げた質点の等速円運動とその向心力の検証において、弧度法と速度次元と方位と角度とベクトルを個別に数式表現しつつ一覧表にしてみれば理解が早い。)
しかしだ。
そうやってミクロにデジタルに分析した個々の物理式をタラララララーーーッ…と繋げぎ合わせ、どこまでも大きく掛け合わせて、たったひとつのウルトラ巨大な宇宙総体にまで当て込もうとしたさいに、本当に完全無欠な説明が可能だろうか?
むしろ、「人間流の数学」ではほとんど説明しきれていないんじゃないのかな。

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此度は、「正円(真円)上を永遠に運動し続ける物質物体ないし電子電荷が本当に実在するだろうか」という、従前からのモヤモヤ感に駆られつつ、とりあえずは高校物理のほんの一端としての等速円運動と向心力を取り上げてみた。
同じモヤモヤ感から、いつだったか人間流の数学の恐怖を論ったエッセイだか短編だかを書いたこともあるくらいだ。

さらに、「ゼロとはいったいどういうことか」などについてもだ。
数学ファンにとってはこれも面白い思考主題たりえようが、僕自身などは高校の時分から「どういうことか」と「どういうものか」を峻別するのがどうもイヤであり、実体を超越していると謳う数学もどうも不愉快であり、ハードウェアから離陸したなどとぬかすソフトウェアプログラムもどうも信用できない。
だからこそ次のネタにしたろうかとそっと考え中ではある。


以上