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)1.5 s25

90 km/h で走っている運転者が障害物を見つける。反応時間は 1.5 s で、その後、自動車は一定の減速度 6.5 m/s² でブレーキをかける。障害物を見た瞬間からの全停止距離 d を求めよ。

v₀ = 90 km/htr = 1.5 sa = −6.5 m/s²
d = m
2.運動学むずかしい
a = 26 m/s²

モデルロケットを静止状態から真上に打ち上げる。エンジンは 2.5 s の間、一定の上向きの加速度 26 m/s² を与え、その後エンジンが止まってロケットは自由に運動する。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。 打ち上げから地面に落ちるまでの時間はどれだけか。t を求めよ。

a = 26 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.ニュートンの法則ふつう
θ = 30°a = ?m = 8 kg

質量 8 kg のブロックが、水平と 30° 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 = 8 kgθ = 30°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​ = 6.5 kg1.5 kgμ = 0.1

水平な机の上にある質量 6.5 kg のブロックが、なめらかな滑車にかけた軽い糸で、つり下げた質量 1.5 kg のおもりとつながれている。 ブロックと机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 = 6.5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.放物運動ふつう
v0​ = ?30°R = 80 m

水平な地面からボールを水平から 30° 上向きに打ち出すと、80 m 先に着地する。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。打ち出した速さ v0 を求めよ。

θ = 30°R = 80 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.放物運動むずかしい
24 mv0​ = 35 m/s65°x = ?

地面の高さからボールを 35 m/s、水平から 65° 上向きに投げる。ボールは下降中に、高さ 24 m の建物の平らな屋上に着地する。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。投げた点から着地点までの水平距離 x を求めよ。

v₀ = 35 m/sθ = 65°hroof = 24 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.円運動ふつう
θ = 25°中心へv = ?

半径 200 m のカーブに 25° のバンク(傾斜)がついている。摩擦をまったく必要とせずに自動車が通過できる速さ v はいくらか。g = 9.81 m/s² とする。

r = 200 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.円運動むずかしい
R = 6 mh = ?

小さな台車を摩擦のない軌道上で静かに放し、半径 6 m の鉛直なループに進入させる。ループの最高点で軌道から離れないためには、ループの最下点から最低どれだけの高さ hmin から出発しなければならないか。

R = 6 mv₀ = 0
hmin = m
9.仕事とエネルギーふつう
45°d = 14 mμ = 0.35

ブロックが水平と 45° をなす斜面を静止状態からすべり下りる。動摩擦係数は 0.35 である。斜面に沿って 14 m すべった後の速さ v を求めよ。

θ = 45°μ = 0.35d = 14 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.仕事とエネルギーむずかしい
h = 3.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 1500 N/m

質量 10 kg のブロックを、なめらかなスロープ上の高さ 3.5 m から静かに放す。下で長さ 4 m の粗い水平区間(μ = 0.1)を通り、その後なめらかな面でばね(k = 1500 N/m)に当たる。 ばねの最大縮み x を求めよ。

m = 10 kgh = 3.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.運動量と衝突ふつう
1000 kg12 m/s1600 kg

12 m/s で動いている質量 1000 kg の自動車が、静止している質量 1600 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 = 1000 kgv1 = 12 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.運動量と衝突むずかしい
900 kg24 m/s800 kg16 m/sv′ = ?

交差点で、東向きに 24 m/s で走る質量 900 kg の自動車が、北向きに 16 m/s で走る質量 800 kg の自動車と衝突する。2 台は一体となる。 衝突直後の残骸の速さ v′ を求めよ。

m1 = 900 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 16 m/s (N)
v′ = m/s
13.剛体の回転ふつう
11 kgaαM = 11.5 kgR = 0.1 m

質量 11 kg のおもりが、軽いひもで滑車からつるされている。滑車は質量 11.5 kg、半径 0.1 m の一様な中実の円板で、摩擦のない水平な軸のまわりに回る。おもりを静止状態から放す。g = 9.81 m/s² とする。 おもりが 1.5 m 落下した後の速さ v を求めよ。

m = 11 kgM = 11.5 kgR = 0.1 mg = 9.81 m/s²h = 1.5 m
v = m/s
14.剛体の回転むずかしい
540 m/s40 g0.36 mL = 0.9 m9 kg

質量 9 kg、長さ 0.9 m の一様な細い棒が、上端の摩擦のない支点からつり下がって静止している。水平に 540 m/s で飛んできた 40 g の弾丸が、支点の 0.36 m 下で棒に当たり、そのまま埋まる。 衝突直後の棒の角速度 ω を求めよ。

M = 9 kgL = 0.9 mm = 40 gv = 540 m/sd = 0.36 m
ω = rad/s
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 20, m = 2 mm

960 rpm で回転する 3 kW のモータが、歯数 20、モジュール 2 mm のピニオンを駆動する。ピニオンの歯に働く接線力 Ft を求めよ。

P = 3 kWn = 960 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 20B = 30C = 20D = ?

複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 20)が 2880 rpm で回転し、歯車 B(歯数 30)を駆動する。歯車 C(歯数 20)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 640 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 = 2880 rpmA = 20B = 30C = 20nout = 640 rpm
ND =
17.ばねと振り子ふつう
t (s)x (cm)1.2 s

k = 290 N/m のばねにつけた質量 1.9 kg のおもりを正の向きに 8 cm 引き、t = 0 に静かに放す。 t = 1.2 s での速度 v を符号をつけて求めよ。

m = 1.9 kgk = 290 N/mA = 8 cmt = 1.2 s
v = m/s
18.ばねと振り子むずかしい
4 kgk = 320 N/mA = 11 cm

k = 320 N/m のばねにつけた質量 4 kg の物体を、つり合いの位置から 11 cm 引いて静かに放す。 最大の速さ vmax を求めよ。

m = 4 kgk = 320 N/mA = 11 cm
vmax = m/s
19.機械振動ふつう
tx10 mm2 周期3.6 mm

減衰のある質量–ばね系の自由振動試験で、変位のピーク 10 mm の 2 周期後に 3.6 mm のピークが現れた。 減衰比 ζ を求めよ。

x0 = 10 mmx2 = 3.6 mmn = 2
ζ =
20.機械振動むずかしい
k1​ = 25k2​ = 10m = 10 kg

10 kg の質量が、横に並べた(並列の)2 本のばね k₁ = 25 kN/m、k₂ = 10 kN/m につり下げられている。質量は水平を保つ。 減衰とばねの質量は無視する。上下振動の固有振動数 fn を Hz で求めよ。

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.運動学

答え: d = 85.58 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.

単位

v₀ = 90/3.6 = 25 m/s

空走距離

d1 = v₀·tr = 25·1.5 = 37.5 m

制動距離

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·6.5) = 48.08 m

合計

d = 37.5 + 48.08 = 85.58 m

答え

d = 85.58 m
2.運動学

答え: t = 16.9 s

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.

動力飛行段階

v₁ = 26·2.5 = 65 m/s
h₁ = ½·26·2.5² = 81.25 m

地面までの自由飛行

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² を正の解について解きます。

t₂ = (65 + √(65² + 2·9.81·81.25))/9.81 = 14.4 s
t = 2.5 + 14.4 = 16.9 s

答え

t = 16.9 s
3.ニュートンの法則

答え: a = 2.781 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 30° − 0.25·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.2165) = 2.781 m/s²

答え

a = 2.781 m/s²
4.ニュートンの法則

答え: T = 13.15 N

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。

系の加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (14.71 − 6.377)/8 = 1.042 m/s²

机の上のブロックから求める張力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6.5·1.042 + 6.377 = 13.15 N

答え

T = 13.15 N
5.放物運動

答え: v0 = 30.1 m/s

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.

水平到達距離の式を v₀ について解く

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·80/sin 60°) = 30.1 m/s

答え

v0 = 30.1 m/s
6.放物運動

答え: x = 82.72 m

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 = 14.79 m/s, vy = 31.72 m/s

屋上に着地するまでの時間

大きい方の解:ボールは下降中です。

24 = 31.72·t − 4.905·t²
t = (31.72 + √(31.72² − 2·9.81·24))/9.81 = 5.592 s

水平距離

x = vx·t = 14.79·5.592 = 82.72 m

答え

x = 82.72 m
7.円運動

答え: v = 30.25 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.

力のつり合い

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

速さ

v = √(r·g·tan θ) = √(200·9.81·tan 25°) = 30.25 m/s

答え

v = 30.25 m/s
(108.9 km/h)
8.円運動

答え: hmin = 15 m

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.

最高点での条件

m·g = m·v²/R → v² = g·R

エネルギー保存

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·6 = 15 m

答え

hmin = 15 m
9.仕事とエネルギー

答え: v = 11.24 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)。

斜面に沿ったエネルギー収支

ブロックは高さ d·sin θ だけ下がり、摩擦が μmg·cos θ·d を奪います。質量は消えます。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·14·(0.7071 − 0.35·0.7071)) = 11.24 m/s

答え

v = 11.24 m/s
10.仕事とエネルギー

答え: x = 63.68 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 = 98.1·(3.5 − 0.1·4) = 304.1 J

最大縮み

½kx² = 304.1 → x = √(2·304.1/1500) = 0.6368 m = 63.68 cm

答え

x = 63.68 cm
11.運動量と衝突

答え: ΔK/K = 61.54 %

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) = 1000·12/2600 = 4.615 m/s

衝突前後の運動エネルギー

Kbefore = ½·1000·12² = 72000 J
Kafter = ½·2600·4.615² = 27692 J

失われた割合

ΔK/K = 44308/72000 = 61.54 %

答え

ΔK/K = 61.54 %

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: v′ = 14.77 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.

運動量の成分

px = 900·24 = 21600 kg·m/s
py = 800·16 = 12800 kg·m/s

残骸の速さ

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 25108/1700 = 14.77 m/s

答え

v′ = 14.77 m/s
13.剛体の回転

答え: v = 4.396 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.

おもりと滑車

ブロック: m·g − T = m·a
滑車: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 11·9.81/(11 + 5.75) = 6.442 m/s²

落下後の速さ

v = √(2·a·h) = √(2·6.442·1.5) = 4.396 m/s

答え

v = 4.396 m/s
14.剛体の回転

答え: ω = 3.193 rad/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.

衝突後の慣性モーメント

I = M·L²/3 + m·d² = 9·0.9²/3 + 0.04·0.36² = 2.435 kg·m²

支点まわりの角運動量

支点の力は支点を通るので、衝突の間、そこでのモーメントはありません。

m·v·d = I·ω → ω = 0.04·540·0.36/2.435 = 3.193 rad/s

答え

ω = 3.193 rad/s
15.歯車と歯車列

答え: Ft = 1492 N

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.

ピニオンのトルク

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 3000/100.5 = 29.84 N·m

ピッチ円直径

d = m·N = 2·20 = 40 mm

接線力

Ft = 2T/d = 2·29.84/0.04 = 1492 N

答え

Ft = 1492 N
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 = 2880·20/30 = 1920 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 20·1920/640 = 60

答え

ND = 60
17.ばねと振り子

答え: v = −0.7634 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 = √(290/1.9) = 12.35 rad/s
ω·t = 12.35·1.2 = 14.83 rad

速度

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.08·12.35·sin(14.83) = −0.7634 m/s

答え

v = −0.7634 m/s
18.ばねと振り子

答え: vmax = 0.9839 m/s

単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。

角周波数

ω = √(320/4) = 8.944 rad/s

最大の速さ

vmax = A·ω = 0.11·8.944 = 0.9839 m/s

答え

vmax = 0.9839 m/s
19.機械振動

答え: ζ = 0.08103

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。

対数減衰率

δ = (1/2)·ln(10/3.6) = 0.5108

減衰比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5108/√(39.48 + 0.2609) = 0.08103

答え

ζ = 0.08103
20.機械振動

答え: fn = 9.416 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

並べたばねはたわみが共通で、力が足し合わされるので、ばね定数はそのまま足します:k = k1 + k2。

keq = 25 + 10 = 35 kN/m

固有振動数

ωn = √(35000/10) = 59.16 rad/s
fn = 59.16/(2π) = 9.416 Hz

答え

fn = 9.416 Hz

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