カテナリー曲線
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2012.12.15


  ロープ や 電線 などの両端を持って垂らしたときにできる曲線は、 カテナリー曲線 と言われます。 重力と張力とのバランスがこのような曲線をつくります。 典型的なカテナリー曲線の方程式として、 次の式が有名です。
    

  カテナリー曲線を描いている円柱ケーブルの線密度を とします。重力加速度を g とします。 カテナリー曲線を描いている円柱ケーブルの両端に作用している張力の水平成分の大きさを とします。
  カテナリー曲線の底点を原点とし、 左右対称になるような座標をとり、 カテナリー曲線の方程式を とします。

      

カテナリー曲線を描いている円柱ケーブルの微小部分 ( 微小曲線分 ) の長さを とします。
微小曲線分の左端が存在する座標を とします。
微小曲線分の右端が存在する座標を とします。
微小曲線分の右端に働く張力の水平方向からの角度を とします。

微小曲線分の左端に働く張力の大きさは になります。
微小曲線分の右端に働く張力の水平方向の大きさは になります。
微小曲線分の右端に働く張力の鉛直方向の大きさは になります。
次の式たちが成り立ちます。
    
    

微小部分の鉛直方向の運動方程式 ( 力の吊り合いの式 ) は次のようになります。
    

より、
    
を代入すると、
    
の両辺を で微分すると、
    
    
この式に を代入して、
    
この両辺を で積分すると、
    
の左辺は、 Maxima を使って求めると、 次のようになります。
    
これはさらに、 次のように変形することができます。
    
    
したがって、 は次のようになります。
    
また、 は次のようにもなります。
    
より
    
    
より、
    
これに 代入すると、
    
    
これがカテナリー曲線( 懸垂曲線 )の方程式です。