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
- わかっている量を単位つきで書き出します:v₀、v、a、t、s。
- わかっている 3 つの量と未知量を含む式を選びます。
- 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。
- 解いて、答えが物理的に妥当か確認します。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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.
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.
−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² を正の解について解きます。
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。
斜面に沿って下向きを正とします。
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。
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.
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.
大きい方の解:ボールは下降中です。
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.
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.
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)。
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。
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)。
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。
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.
失われたエネルギーは変形、熱、音になります。
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.
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.
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.
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。
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.
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.
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.
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。
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。
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。
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。
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