動力学:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、20 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

運動学

速度
v = v0 + a·t
変位
s = v0·t + ½·a·t²
時間を含まない式
v² = v0² + 2·a·s
単位
1 m/s = 3.6 km/h

解き方

  1. わかっている量を単位つきで書き出します:v₀、v、a、t、s。
  2. わかっている 3 つの量と未知量を含む式を選びます。
  3. 正の向きを 1 つ決め、逆向きの量にはマイナスの符号をつけます。
  4. 解いて、答えが物理的に妥当か確認します。

ニュートンの法則

第 2 法則
ΣF = m·a
重力
W = m·g
動摩擦
Ff = μ·N
斜面上
斜面方向:m·g·sin θ、 垂直方向:m·g·cos θ

解き方

  1. 物体に働くすべての力を描いた自由体図を描きます。
  2. 運動の向きに沿って正の向きを決めます。
  3. 力を運動方向とそれに垂直な方向の成分に分けます(斜面では、斜面に沿って m·g·sin θ、斜面に垂直に m·g·cos θ)。
  4. 運動方向に ΣF = m·a を適用します。摩擦力は運動と逆向きに μ·N です。

放物運動

成分
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最高点の高さ
H = h + vy²/(2g)
水平到達距離(水平な地面)
R = v0²·sin 2θ/g

解き方

  1. 初速度を成分に分けます:vx = v₀·cos θ、vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向は等速運動、鉛直方向は加速度 −g の運動です。
  3. 鉛直方向の運動から飛行時間を求めます。
  4. その時間を水平方向の運動に使い、水平到達距離を求めます。

円運動

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
平らなカーブ、摩擦
vmax = √(μ·g·r)

仕事とエネルギー

運動エネルギー
Ek = ½mv²
位置エネルギー
Ep = mgh
エネルギー収支
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力がする仕事
W = μ·N·d
電力
P = W/t

運動量と衝突

運動量
p = m·v
保存則
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弾性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
力積
J = F·Δt = m·Δv

解き方

  1. 正の向きを決め、各速度に符号をつけます。
  2. 衝突前の運動量の和を書きます:Σm·v。
  3. 完全非弾性衝突では衝突後に物体が一体となって動き、弾性衝突では運動エネルギーも保存されます。
  4. 衝突前の運動量と衝突後の運動量を等しいとおいて解きます。

剛体の回転

重心 G まわりの慣性モーメント
棒 mL²/12, 円板 ½mR², リング mR², 中実の球 (2/5)mR², 中空の球 (2/3)mR²
平行軸の定理
I = IG + m·d²
断面二次半径
I = m·k²
端まわりの棒
I = mL²/3
運動の式
ΣM = I·α
rad/s での角速度
ω = 2π·n/60
運動エネルギー
E = ½·I·ω²
仕事と動力
W = T·θ, P = T·ω
滑らない転がり
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角運動量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
支点まわりの衝突
m·v·d = I·ω

解き方

  1. 軸を選びます:固定された支点、または転がる物体なら重心。
  2. 標準的な値からその軸まわりの慣性モーメントを求めます。軸をずらすときは I = IG + m·d² を使います。
  3. 方法を選びます:加速度や力には ΣM = I·α、速さにはエネルギー(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h)、衝突や急激な変化には角運動量を使います。
  4. v = ω·r と a = α·r で直線運動と回転運動を結び付け、rpm を rad/s に換算します。

歯車と歯車列

かみ合う歯車
n1·N1 = n2·N2
トルク
T2 = T1·(N2/N1)·η
電力
P = T·ω, ω = 2π·n/60
複合歯車列
全体の速比 = 各段の速比の積

ばねと振り子

ばね振り子
T = 2π·√(m/k)
単振り子
T = 2π·√(L/g)
角周波数
ω = √(k/m) = 2π/T
最大の速さと最大の加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
エネルギー
E = ½·k·A²

機械振動

固有振動数
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
静たわみから
ωn = √(g/δst)
臨界減衰
cc = 2√(km) = 2mωn
減衰比
ζ = c/cc
減衰固有振動数
ωd = ωn√(1 − ζ²)
対数減衰率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
並列ばね
k = k1 + k2
直列ばね
1/k = 1/k1 + 1/k2

2演習問題

1.運動学ふつう
t (s)v (m/s)4.444 s20

72 km/h で走っている車が、一定の減速度 4.5 m/s² でブレーキをかけて停止する。 制動距離 s を求めよ。

v₀ = 72 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
s = m
2.運動学むずかしい
v₀ = 15 m/s10 m

地面から高さ 10 m の屋上の端から、ボールを 15 m/s で真上に投げ上げる。空気抵抗は無視し、g = 9.81 m/s² とする。 地面からの最高点の高さ hmax を求めよ。

v₀ = 15 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.ニュートンの法則ふつう
箱v₀ = 10.5 m/sμ = ?

箱が水平な床の上を初速 10.5 m/s ですべり、28 m 進んで止まる。g = 9.81 m/s² とする。動摩擦係数 μ を求めよ。

v₀ = 10.5 m/sd = 28 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.ニュートンの法則むずかしい
7 kg2 kgTF = 90 Nμ = 0.15

水平な床の上の 2 つのブロックが軽い水平な糸でつながれている。水平な力 90 N が前の 2 kg のブロックを引き、7 kg のブロックは後ろから引かれる。両方のブロックの動摩擦係数は 0.15 である。g = 9.81 m/s² とする。 つないでいる糸の張力 T を求めよ。

m1 = 7 kgm2 = 2 kgF = 90 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.放物運動ふつう
v0​ = 32 m/sθ = ?R = 90 m

水平な地面からボールを 32 m/s で打ち出し、90 m 先に着地させなければならない。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。2 つの可能な打ち出し角のうち小さい方 θ を求めよ。

v₀ = 32 m/sR = 90 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.放物運動むずかしい
h = 15 mv0​ = 16 m/s60°x = ?

ボールを 高さ 15 m の崖の上から水平から 60° 上向きに投げる。空気抵抗は無視する。ボールが地面に落ちるまでに進む水平距離 x を求めよ。

v0 = 16 m/sθ = 60°h = 15 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.円運動ふつう
r = 120 mvmax​ = ?

車が半径 120 m の平らなカーブを曲がる。タイヤと路面の間の静止摩擦係数は 0.4、g = 9.81 m/s² とする。車が横すべりせずにカーブを曲がれる最大の速さ vmax を求めよ。

r = 120 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.円運動むずかしい
R = 8.5 mh = 36.55 m

質量 0.5 kg の台車を、摩擦のない軌道上の高さ 36.55 m から静かに放し、半径 8.5 m の鉛直なループを通過させる。g = 9.81 m/s² とする。 ループの最高点で軌道が台車に及ぼす垂直抗力 Ntop を求めよ。

m = 0.5 kgh = 36.55 mR = 8.5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.仕事とエネルギーふつう
90 km/h

水平な道路を 90 km/h で走る自動車が急ブレーキをかけ、車輪がロックしたまますべって停止する。タイヤと路面の間の動摩擦係数は 0.8 である。停止距離 d を求めよ。

v = 90 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
10.仕事とエネルギーむずかしい
4 kg3 kgμ = 0.3d = 3 m

質量 4 kg のブロックがあらい水平な机の上にある(μ = 0.3)。軽い糸がそこから机の端のなめらかな滑車を通って、つり下げられた質量 3 kg のブロックにつながっている。系を静かに放す。つり下げられたブロックが 3 m 下がった後のブロックの速さ v を求めよ。

m1 = 4 kgm2 = 3 kgμ = 0.3d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.運動量と衝突ふつう
1 kg91 m/s11 kgv′2​ = ?

水平に 40 m/s で動いている質量 12 kg の物体が、同じ直線上を動く 2 つの破片に爆発する。質量 1 kg の破片は前向きに 91 m/s で進み続ける。質量 11 kg の破片の速度 v′2 を求めよ(元の向きを正とする)。

M = 12 kgu = 40 m/sm1 = 1 kgv′1 = 91 m/sm2 = 11 kg
v′2 = m/s
12.運動量と衝突むずかしい
1600 kgv1​ = ?1400 kg

質量 1600 kg の自動車が、駐車中の質量 1400 kg の自動車に衝突する。2 台は一体となって 19.5 m すべって止まる。タイヤと路面の間の動摩擦係数は 0.7 である。g = 9.81 m/s² とする。衝突直前の 1 台目の自動車の速さ v1 を求めよ。

m1 = 1600 kgm2 = 1400 kgd = 19.5 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.剛体の回転ふつう
v = ?2 kgL = 1.7 mm = 4.5 kg

質量 4.5 kg、長さ 1.7 m の一様な細い棒が、一端をピンで支えられ、水平な位置から静止状態で放される。 質量 2 kg の小さな球が、その自由端に固定されている。 摩擦を無視し、g = 9.81 m/s² とする。 棒が鉛直位置を通過するときの自由端の速さ v を求めよ。

m = 4.5 kgL = 1.7 mmball = 2 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.剛体の回転むずかしい
θ = 20°vs = 9 m

中実の球 が静止状態から出発し、水平面に対して 20° 傾いた斜面を滑らずに転がり下りる。g = 9.81 m/s² とする。 斜面に沿って 9 m 転がった後の速さ v を求めよ。

θ = 20°s = 9 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 20N2​ = 32

960 rpm で回転する 2.2 kW のモータが歯数 20 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 32 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 95% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 2.2 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 32η = 95%
T2 = N·m
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 24B = 60C = 48D = ?

複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 24)が 1500 rpm で回転し、歯車 B(歯数 60)を駆動する。歯車 C(歯数 48)は B と同じ軸に固定され、出力軸の歯車 D を駆動する。出力は 480 rpm で回転しなければならない。歯車 D の歯数 ND はいくつ必要か。

nin = 1500 rpmA = 24B = 60C = 48nout = 480 rpm
ND =
17.ばねと振り子ふつう
1.5 kgk = 500 N/mA = 5 cmx = 1 cm

k = 500 N/m のばねにつけた質量 1.5 kg のおもりが、摩擦のない面上で振幅 5 cm で振動する。つり合いの位置から 1 cm のところでの速さ v を求めよ。

m = 1.5 kgk = 500 N/mA = 5 cmx = 1 cm
v = m/s
18.ばねと振り子むずかしい
mk = 100 N/mA = 8 cmx = 2 cm

k = 100 N/m のばねにつけたおもりが、摩擦のない面上で振幅 8 cm で振動する。 つり合いの位置から 2 cm のところでの運動エネルギー K を求めよ。

k = 100 N/mA = 8 cmx = 2 cm
K = J
19.機械振動ふつう
k = 10 kN/mζ = 0.5m = 5 kg

ばね定数 10 kN/m のばねにつながれた 5 kg の質量に、減衰比 0.5 となる粘性ダンパがついている。自由振動の減衰固有振動数 fd を Hz で求めよ。

m = 5 kgk = 10 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
20.機械振動むずかしい
k1​ = 80k2​ = 40m = 20 kg

20 kg の質量が、縦につないだ(直列の)2 本のばねにつり下げられている:上のばねは k₁ = 80 kN/m、下のばねは k₂ = 40 kN/m である。 ばね系の等価ばね定数 keq を kN/m で求めよ。

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.運動学

答え: s = 44.44 m

等加速度運動:v = v₀ + a·t、s = v₀·t + ½·a·t²、v² = v₀² + 2·a·s。わかっている 3 つの量と求めたい 1 つの量を含む式を選び、正の向きを 1 つに決めて符号をそろえましょう。

単位

v₀ = 72/3.6 = 20 m/s

制動距離

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·4.5) = 44.44 m

答え

s = 44.44 m
2.運動学

答え: hmax = 21.47 m

等加速度運動:v = v₀ + a·t、s = v₀·t + ½·a·t²、v² = v₀² + 2·a·s。わかっている 3 つの量と求めたい 1 つの量を含む式を選び、正の向きを 1 つに決めて符号をそろえましょう。

屋上からの上昇距離

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 15²/(2·9.81) = 11.47 m

地面からの高さ

hmax = 10 + 11.47 = 21.47 m

答え

hmax = 21.47 m
3.ニュートンの法則

答え: μ = 0.2007

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

減速度

a = v₀²/(2d) = 10.5²/(2·28) = 1.969 m/s²

摩擦係数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.969/9.81 = 0.2007

答え

μ = 0.2007
4.ニュートンの法則

答え: T = 70 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

系全体

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (90 − 13.24)/9 = 8.528 m/s²

後ろのブロックだけ

T = m1·(a + μ·g) = 7·(8.528 + 1.472) = 70 N

答え

T = 70 N

両方のブロックの μ が同じなら、摩擦は消えます:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.放物運動

答え: θ = 29.78 °

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

水平到達距離の式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·90/32² = 0.8622

位相角

2θ = 59.57° → θ = 29.78°

答え

θ = 29.78°

もう 1 つの解は 90° − θ = 60.22° です。

6.放物運動

答え: x = 29.28 m

放物運動:空気抵抗がなければ x = vxt、y = h + vyt − ½gt²。2 つの方向は独立で、共通なのは時間だけです。

初速度を分解する

水平速度は一定で、鉛直運動は下向きの一定加速度 g = 9.81 m/s² をもちます。

vx = v0·cos θ = 16·cos 60° = 8 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 60° = 13.86 m/s

滞空時間

y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 を解き、正の解をとります。

0 = 15 + 13.86·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.86 + √(192 + 294.3))/9.81 = 3.66 s

水平距離

x = vx·t = 8·3.66 = 29.28 m

答え

x = 29.28 m
7.円運動

答え: vmax = 21.7 m/s

等速円運動:半径 r の円周上を速さ v で動く物体は、中心向きに a = v²/r の加速度をもつので、中心向きの合力 F = m·v²/r が必要です。この力は、摩擦力、張力、重力、垂直抗力など、実際にはたらく力によって与えられます。

摩擦力が向心力になる

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.4·9.81·120) = 21.7 m/s

答え

vmax = 21.7 m/s (78.12 km/h)
8.円運動

答え: Ntop = 17.66 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

エネルギー保存からの速さ

v² = 2·9.81·(36.55 − 2·8.5) = 383.6 m²/s²

力

中心に向かう向きを正とします。

N = m·v²/R − m·g = 0.5·383.6/8.5 − 4.905 = 17.66 N

答え

Ntop = 17.66 N
9.仕事とエネルギー

答え: d = 39.82 m

仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。

基本単位での速さ

v = 90/3.6 = 25 m/s

エネルギー収支

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0.8·9.81) = 39.82 m

答え

d = 39.82 m

速さを 2 倍にすると、停止距離は 4 倍になります。

10.仕事とエネルギー

答え: v = 3.89 m/s

仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。

放出されるエネルギーと失われるエネルギー

m₂g·d = 29.43·3 = 88.29 J
μ·m₁g·d = 0.3·39.24·3 = 35.32 J

両方のブロックの運動エネルギー

½(m₁ + m₂)v² = 52.97 → v = √(2·52.97/7) = 3.89 m/s

答え

v = 3.89 m/s
11.運動量と衝突

答え: v′2 = 35.36 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

衝突前の運動量

p = M·u = 12·40 = 480 kg·m/s

衝突後の運動量

480 = 1·91 + 11·v′2
v′2 = (480 − 91)/11 = 35.36 m/s

答え

v′2 = 35.36 m/s
12.運動量と衝突

答え: v1 = 30.68 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

衝突後の速さ

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·19.5) = 16.36 m/s

衝突での運動量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3000·16.36/1600 = 30.68 m/s

答え

v1 = 30.68 m/s
(110.5 km/h)
13.剛体の回転

答え: v = 6.364 m/s

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

位置エネルギーの減少

m·g·L/2 + mball·g·L = 4.5·9.81·0.85 + 2·9.81·1.7 = 70.88 J

ピンまわりの慣性モーメント

IO = m·L²/3 + mball·L² = 4.335 + 5.78 = 10.11 kg·m²

エネルギー収支

½·IO·ω² = 70.88 → ω = √(2·70.88/10.11) = 3.744 rad/s
v = ω·L = 3.744·1.7 = 6.364 m/s

答え

v = 6.364 m/s
14.剛体の回転

答え: v = 6.568 m/s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

下がった高さ

h = s·sin θ = 9·sin 20° = 3.078 m

転がりを含むエネルギーの式

滑らずに転がるとき:ω = v/r で、接触点では摩擦は仕事をしません。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·3.078/1.4) = 6.568 m/s

答え

v = 6.568 m/s
15.歯車と歯車列

答え: T2 = 33.26 N·m

歯車列:かみ合う歯車は歯の部分で同じ速さで動くので、n₁·N₁ = n₂·N₂ となり、歯数の少ない歯車ほど速く回ります。同じ軸に取り付けた歯車は同じ回転速度で回ります。動力は(損失を除いて)そのまま伝わるので、回転速度が下がるとトルクは上がります:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η。また P = T·ω、ただし ω = 2π·n/60。

モータのトルク

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/100.5 = 21.88 N·m

出力トルク

T2 = 21.88·32/20·0.95 = 33.26 N·m

答え

T2 = 33.26 N·m
16.歯車と歯車列

答え: ND = 60

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

中間軸の回転速度

nB = nC = 1500·24/60 = 600 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 48·600/480 = 60

答え

ND = 60
17.ばねと振り子

答え: v = 0.8944 m/s

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

角周波数

ω = √(500/1.5) = 18.26 rad/s

x での速さ

v = ω·√(A² − x²) = 18.26·√(0.05² − 0.01²) = 0.8944 m/s

答え

v = 0.8944 m/s
18.ばねと振り子

答え: K = 0.3 J

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

全エネルギー

E = ½·k·A² = ½·100·0.08² = 0.32 J

x でのばねのエネルギー

U = ½·k·x² = ½·100·0.02² = 0.02 J

運動エネルギー

K = 0.32 − 0.02 = 0.3 J

答え

K = 0.3 J
19.機械振動

答え: fd = 6.164 Hz

質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。

減衰のない固有振動数

ωn = √(10000/5) = 44.72 rad/s
fn = 44.72/(2π) = 7.118 Hz

減衰固有振動数

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.118·√(1 − 0.5²) = 6.164 Hz

答え

fd = 6.164 Hz
20.機械振動

答え: keq = 26.67 kN/m

質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。

等価ばね定数

直列のばねは同じ力を受け、たわみが足し合わされるので、逆数で合成します:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/80 + 1/40 → keq = 80·40/(80 + 40) = 26.67 kN/m

答え

keq = 26.67 kN/m

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