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力学2 ∇(grad)・保存力の条件・等ポテンシャル面・平衡点

勾配と平衡点

地図の上の点 P をドラッグすると、その場所の ∇V と力 F = −∇V が出ます。力はいつも等高線に垂直で、V の低い方を向きます。力がゼロになる平衡点は、V の谷・山・峠のどれかです。

力の場
一周する円の半径
0.50 m
摩擦のある面で玉を置く

∇ と grad ∇V = (∂V/∂x, ∂V/∂y) は V がいちばん急に増える向きを指し、長さはその増え方です。力はその逆向き F = −∇V = −grad V。

等ポテンシャル線 等高線に沿って動いても V は変わらないので F·Δr = 0。だから力は等高線に垂直です。3 次元なら等ポテンシャル面に垂直になります。

保存力の条件 Fx = −∂V/∂x、Fy = −∂V/∂y なら、偏微分の順番を入れ替えても同じなので ∂Fx/∂y = ∂Fy/∂x。「渦」はこれが成り立たず、円を一周すると仕事がゼロになりません。

平衡点 ∂V/∂x = ∂V/∂y = 0 の点。谷の底(極小)は安定、山の頂上(極大)は不安定です。峠(鞍点)では、ある向きには谷、別の向きには山なので不安定です。右の 2 つの断面で確かめられます。

点 P での値

P を通る 2 つの断面

保存力の条件

平衡点(F = 0)