No.1ベストアンサー
- 回答日時:
>なぜ未知数にするのですか?
いやいや、未知数には変わりないのですが、右向きか左向きか分からないので(方向が未知)、右向き(正)としておきましょう、というだけのことです。(もし左向きなら、v の値が「負」になるだけ)
(1)運動量保存則
外から力が働かない、「ロケット本体+燃料」で閉じた系なので、運動量は保存されます。(2つの物体の衝突なども同じ)
これ、運動方程式 F=ma と等価なことなのです。微分を習っているなら「加速度は速度を微分したもの」であることをご存知と思いますが、これを使えば運動方程式とは
F = ma = m(dv/dt) = d(mv)/dt
です。外力が働かなければ、F=0 なので
d(mv)/dt = 0
つまり
mv = const.
です。
運動量保存の式は、テキストの①ですが、どこがわからないのですか?
(燃料噴射前)質量:M、速度:V0 で飛んでいたので、運動量=M*V0
(燃料噴射後)
(ロケット本体)質量:M-m (燃料分軽くなった)、速度:V なので、運動量=(M - m)*V
(噴射された燃料)質量:m 、速度:v なので、運動量=m*v
つまり、衝突後の運動量の合計は、運動量=(M - m)*V + m*v
(運動量保存の式)
燃料噴射前と噴射後の運動量は等しいので
M*V0 = (M - m)*V + m*v
(2)相対速度
上の(1)は、ロケットを遠くから眺めている人の座標で記述したものです。宇宙空間に「静止」しているところから見ています。
それに対して、ロケットに乗っている人から見れば、燃料噴射前は一緒に動いていた燃料は「止まっていた」ように見えます。相対速度はゼロです。
燃料噴射後は、速度 u で遠ざかっていくように見えます。ロケット本体の速度 V と、噴射された燃料の速度 v の差が、相対速度 u になります。
u = V - v
直感的には、「噴射された燃料の速度は、ロケットの速度 V に対して u だけ遅い」だから、「ロケット本体から見て、後ろに速さ u で離れていくように見える」のです。
v = V - u
ロケットの上から見ると、燃料はロケットの進行方向と反対、つまり「左向き」に遠ざかって見えます。つまり速度は「-u」に見えます。ロケットの上から見た速度は、燃料の速度からロケットの速度を差し引いてやる必要があり、
-u = v - V
ということです。
これらは、すべて「右向きを正」にしています。
こんな説明でよいですか?
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