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
a = ?s = 800 m

飛行機が離陸するには 180 km/h の速さが必要で、使える滑走路の長さは 800 m である。静止状態から出発するとき、必要な一定の加速度 a はいくらか。

v₀ = 0v = 180 km/hs = 800 m
a = m/s²
2.運動学むずかしい
t (s)v (m/s)6 s

路面電車が静止状態から 1.5 m/s² で 6 s 加速し、次に 9 s 等速で走り、最後に 3.5 m/s² でブレーキをかけて停止する。 2 つの停留所間の全距離 s を求めよ。

a1 = 1.5 m/s²t1 = 6 st2 = 9 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.ニュートンの法則ふつう
θ = 35°a = ?m = 2 kg

質量 2 kg のブロックが、水平と 35° をなす斜面をすべり下りる。動摩擦係数は 0.25 である。 g = 9.81 m/s² とする。斜面に沿ったブロックの加速度 a を求めよ。

m = 2 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.ニュートンの法則むずかしい
m1​ = 3.5 kg5 kgθ = 35°

35° の斜面上にある質量 3.5 kg のブロックが、斜面の上端にある摩擦のない滑車を通る軽い糸で、つり下げられた質量 5 kg のおもりにつながれている。つり下げられたおもりは下向きに動く。 ブロックと斜面の間の動摩擦係数は 0.1 である。 g = 9.81 m/s² とする。 糸の張力 T を求めよ。

m1 = 3.5 kgm2 = 5 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.放物運動ふつう
v0​ = 24 m/s35°x = ?

ボールを 平らな地面から水平から 35° 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 = 24 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.放物運動むずかしい
h = 15 mv0​ = 11 m/s55°α = ?

高さ 15 m のがけの上から、ボールを 11 m/s、水平から 55° 上向きに打ち出す。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。 ボールは水平から下向きにどの角度 α で地面に当たるか。

v₀ = 11 m/sθ = 55°h = 15 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.円運動ふつう
r = 35 mvmax​ = ?

自動車が、半径 35 m の円弧になっている道路の盛り上がりの頂上を通過する。g = 9.81 m/s² とする。どの速さ vmax を超えると、頂上で車輪が路面から離れるか。

r = 35 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.円運動むずかしい
r = 0.8 mv = 8.5 m/s

質量 1.6 kg のボールを長さ 0.8 m の糸につけ、鉛直面内で円運動させる。最下点での速さは 8.5 m/s である。g = 9.81 m/s² とする。最下点での糸の張力 T を求めよ。

m = 1.6 kgr = 0.8 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.仕事とエネルギーふつう
35°d = 7 mμ = 0.4

質量 10 kg のブロックが水平と 35° をなす斜面を 7 m すべり下りる。動摩擦係数は 0.4 である。摩擦に逆らってした仕事 Wf を求めよ。

m = 10 kgθ = 35°μ = 0.4d = 7 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.仕事とエネルギーむずかしい
h = 4 mL = 1 mμ = 0.25k = 500 N/m

質量 4 kg のブロックを、なめらかなスロープ上の高さ 4 m から静かに放す。下で長さ 1 m の粗い水平区間(μ = 0.25)を通り、その後なめらかな面でばね(k = 500 N/m)に当たる。 ばねの最大縮み x を求めよ。

m = 4 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0.25k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.運動量と衝突ふつう
1200 kg23 m/s2000 kg

23 m/s で動いている質量 1200 kg の自動車が、静止している質量 2000 kg の自動車に衝突し、2 台は一体となる。 元の運動エネルギーの何パーセント ΔK/K が失われるか。

m1 = 1200 kgv1 = 23 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.運動量と衝突むずかしい
27 m/s12 m/s

質量 0.15 kg のボールが 27 m/s で壁に当たり、12 m/s でまっすぐはね返る。接触時間は 25 ms である。 壁がボールに与える力積の大きさ J を求めよ。

m = 0.15 kgvin = 27 m/svout = 12 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.剛体の回転ふつう
v = ?4.5 kgL = 1.4 mm = 6 kg

質量 6 kg、長さ 1.4 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 4.5 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 = 6 kgL = 1.4 mmball = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.剛体の回転むずかしい
8.5 m/sω

質量 4 kg の 中実の円柱 が、速さ 8.5 m/s で滑らずに転がっている。 回転の運動エネルギー Erot を求めよ。

m = 4 kgv = 8.5 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = ?N2​

2 本の平行軸の間隔は 72 mm である。これらをモジュール 1.5 mm、減速比 3 : 1 の平歯車対で連結しなければならない。 ピニオンの歯数 N1 はいくつ必要か。

a = 72 mmm = 1.5 mmi = 3
N1 =
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 45B = 80C = 12D = ?

複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 45)が 3000 rpm で回転し、歯車 B(歯数 80)を駆動する。歯車 C(歯数 12)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 810 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 = 3000 rpmA = 45B = 80C = 12nout = 810 rpm
ND =
17.ばねと振り子ふつう
L = 0.6 mT = 0.98 s

別の惑星にいる宇宙飛行士が、長さ 0.6 m の単振り子の小さな振れの周期が 0.98 s であることを見いだす。その惑星の重力加速度 g を求めよ。

L = 0.6 mT = 0.98 s
g = m/s²
18.ばねと振り子むずかしい
t (s)x (cm)t = ?11.2

ある物体が周期 0.7 s、振幅 14 cm で単振動をしている。 つり合いの位置から変位 11.2 cm まで動くのに必要な最短時間 t はどれだけか。

T = 0.7 sA = 14 cmx = 11.2 cm
t = s
19.機械振動ふつう
k = 40 kN/mc = 220 N·s/mm = 5 kg

5 kg の質量が、ばね定数 40 kN/m のばねと、減衰係数 220 N·s/m の粘性ダンパで支えられている。減衰比 ζ を求めよ。

m = 5 kgk = 40 kN/mc = 220 N·s/m
ζ =
20.機械振動むずかしい
k1​ = 20k2​ = 10k3​ = 50m = 5 kg

5 kg の質量がばね k₃ = 50 kN/m につり下げられている。k₃ の上端は剛体の棒に取り付けられ、その棒は横に並べた 2 本のばね k₁ = 20 kN/m と k₂ = 10 kN/m からつり下げられている。棒は水平を保つ。 減衰とばね・棒の質量は無視する。上下振動の固有振動数 fn を Hz で求めよ。

m = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.運動学

答え: a = 1.563 m/s²

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

単位

v = 180/3.6 = 50 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 50²/(2·800) = 1.563 m/s²

答え

a = 1.563 m/s²
2.運動学

答え: s = 119.6 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

最高速度

v = a1·t1 = 1.5·6 = 9 m/s

各段階の距離

s1 = ½·1.5·6² = 27 m
s2 = 9·9 = 81 m
s3 = 9²/(2·3.5) = 11.57 m

全距離

s = 27 + 81 + 11.57 = 119.6 m

答え

s = 119.6 m
3.ニュートンの法則

答え: a = 3.618 m/s²

ニュートンの運動の第 2 法則:物体にはたらく合力は、質量と加速度の積に等しくなります:ΣF = m·a。自由体図を描き、運動の向きに正の向きを決めて、その向きのすべての力を足し合わせましょう:加えた力、運動を妨げる向きの摩擦力 μ·N、重力の成分です。

斜面に沿った力

斜面に沿って下向きを正とします。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 35° − 0.25·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.2048) = 3.618 m/s²

答え

a = 3.618 m/s²
4.ニュートンの法則

答え: T = 33.44 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.

糸に沿った力

m₂·g = 49.05 N
m₁·g·sin θ = 19.69 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.813 N

系の加速度

a = (49.05 − 19.69 − 2.813)/8.5 = 3.123 m/s²

つり下げられたおもりから求める張力

m2·g − T = m2·a → T = 5·(9.81 − 3.123) = 33.44 N

答え

T = 33.44 N
5.放物運動

答え: x = 55.17 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 = 24·cos 35° = 19.66 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 35° = 13.77 m/s

滞空時間

発射点と着地点が同じ高さ:t = 2vy/g。

t = 2·13.77/9.81 = 2.806 s

水平距離

x = vx·t = 19.66·2.806 = 55.17 m

答え

x = 55.17 m
6.放物運動

答え: α = 71.96 °

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.

初速度を分解する

vx = 11·cos 55° = 6.309 m/s
vy0 = 11·sin 55° = 9.011 m/s

衝突時の鉛直方向の速さ

エネルギー、または鉛直方向の v² = v₀² + 2as。

vy = √(9.011² + 2·9.81·15) = 19.38 m/s

衝突角

tan α = vy/vx = 19.38/6.309 → α = 71.96°

答え

α = 71.96°
7.円運動

答え: vmax = 18.53 m/s

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.

垂直抗力 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·35) = 18.53 m/s

答え

vmax = 18.53 m/s
(66.71 km/h)
8.円運動

答え: T = 160.2 N

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。

最下点での力

中心向き(上向き)を正とします。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.6·9.81 + 1.6·8.5²/0.8 = 15.7 + 144.5 = 160.2 N

答え

T = 160.2 N
9.仕事とエネルギー

答え: Wf = 225 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 98.1·0.8192 = 80.36 N
F = μN = 0.4·80.36 = 32.14 N

摩擦に逆らう仕事

Wf = F·d = 32.14·7 = 225 J

答え

Wf = 225 J
10.仕事とエネルギー

答え: x = 76.72 cm

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)。

粗い区間を通過した後のエネルギー

スロープはなめらかなので、エネルギーを奪うのは粗い区間だけです。

mgh − μmgL = 39.24·(4 − 0.25·1) = 147.2 J

最大縮み

½kx² = 147.2 → x = √(2·147.2/500) = 0.7672 m = 76.72 cm

答え

x = 76.72 cm
11.運動量と衝突

答え: ΔK/K = 62.5 %

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.

共通の速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1200·23/3200 = 8.625 m/s

衝突前後の運動エネルギー

Kbefore = ½·1200·23² = 317400 J
Kafter = ½·3200·8.625² = 119025 J

失われた割合

ΔK/K = 198375/317400 = 62.5 %

答え

ΔK/K = 62.5 %

失われたエネルギーは変形、熱、音になります。

12.運動量と衝突

答え: J = 5.85 N·s

運動量保存則:衝突の間に外力がはたらかなければ、衝突前の運動量の総和 Σm·v は衝突後の総和に等しくなります。速度には向きがあるので、正の向きを決め、逆向きの速度には負の符号をつけましょう。弾性衝突では運動エネルギーも保存され、完全非弾性衝突では物体どうしが一体となって動きます。

運動量の変化

J = m·Δv = 0.15·(12 + 27) = 5.85 N·s

答え

J = 5.85 N·s
13.剛体の回転

答え: v = 5.63 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 = 6·9.81·0.7 + 4.5·9.81·1.4 = 103 J

ピンまわりの慣性モーメント

IO = m·L²/3 + mball·L² = 3.92 + 8.82 = 12.74 kg·m²

エネルギー収支

½·IO·ω² = 103 → ω = √(2·103/12.74) = 4.021 rad/s
v = ω·L = 4.021·1.4 = 5.63 m/s

答え

v = 5.63 m/s
14.剛体の回転

答え: Erot = 72.25 J

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.

並進と回転の部分

Etrans = ½·m·v² = ½·4·8.5² = 144.5 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·144.5 = 72.25 J

答え

Erot = 72.25 J
15.歯車と歯車列

答え: N1 = 24

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

歯数の合計

N1 + N2 = 2a/m = 2·72/1.5 = 96

比で分ける

N1 = 96/(1 + 3) = 24

答え

N1 = 24
16.歯車と歯車列

答え: ND = 25

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 = 3000·45/80 = 1688 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 12·1688/810 = 25

答え

ND = 25
17.ばねと振り子

答え: g = 24.66 m/s²

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.

g について解く

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.6/0.98² = 24.66 m/s²

答え

g = 24.66 m/s²
18.ばねと振り子

答え: t = 0.1033 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 = 2π/T = 2π/0.7 = 8.976 rad/s

時間について解く

0.8 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.8) = 0.9273 rad
t = 0.9273/8.976 = 0.1033 s

答え

t = 0.1033 s
19.機械振動

答え: ζ = 0.246

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。

臨界減衰

cc = 2·√(k·m) = 2·√(40000·5) = 894.4 N·s/m

減衰比

ζ = c/cc = 220/894.4 = 0.246

答え

ζ = 0.246

ζ < 1 なので、この系は不足減衰で、振動しながら減衰します。

20.機械振動

答え: fn = 9.746 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。

等価ばね定数

並列なのは k1 と k2 だけです。その組が k3 と直列なので、逆数で合成しましょう。

k12 = 20 + 10 = 30 kN/m
keq = 30·50/(30 + 50) = 18.75 kN/m

固有振動数

ωn = √(18750/5) = 61.24 rad/s
fn = 61.24/(2π) = 9.746 Hz

答え

fn = 9.746 Hz

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