最小作用を探せ
作成 GeoGebra |
最小作用の原理を実感するためのプログラムです。「今度こそ納得する物理・数学再入門」の疑問10「最小作用の原理はどこから来るか?」では、これを上下逆にした模型を使っていますが、ここでは「最小作用」を実感できる、本来の運動の形でプログラムを作りました。
これは落体の運動だと思ってください。
横軸は時間です。●で表された玉が、運動の途中のある時刻での位置を示しています。この●はマウスで動かすことができます。作用、すなわち(運動エネルギー)−(位置エネルギー)の和がもっとも小さくなる運動が実現するというのが「最小作用の原理」ですが、そのためには、●をどのように配置すればよいか、それを動かしながら探してください。
最初は、
のようにでたらめなグラフになっています。赤い棒は運動エネルギー、青い棒は(逆向きに表示した)位置エネルギーだと思ってください。
時間的に隣(「少し前」または「少し後」)の玉との高さの差が激しいと、速く運動しているということなので、運動エネルギーが増えます(赤いグラフの増減で確認してください)。
もし運動エネルギーを下げる、ということが目的なら、横一文字に並べればよいでしょう。
しかし、それでは青で示した(逆向き位置エネルギー)が大きくなります。この時の作用の値は0(運動エネルギーも位置エネルギーも0なので)ですが、もっと下げることができます。
位置エネルギーを上げる(逆向き位置エネルギーを下げる)のが目的なら、下の図のように、できる限り上を通せばいい(青いグラフの増減で確認してください)。
しかし、それでは運動エネルギーが大きくなります(グラフから飛び出すほどにでかくなっている)。
(運動エネルギー)ー(位置エネルギー)を最小にするには、どのような軌道を描けばいいのか、を点の位置を動かして探してみましょう。
右上にある「正解の表示」をクリックすると最小になる点を表示します。
出発点、到着点、重力加速度の大きさを変更できるようにした上級編もあります。
ggbファイルはこちら。