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。
60 km/h で走っている車が、一定の減速度 6 m/s² でブレーキをかけて停止する。 制動距離 s を求めよ。
路面電車が静止状態から 2 m/s² で 11 s 加速し、次に 16 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。
質量 20 kg のそりを、水平から 15° 上向きのロープで、30 N の力で水平な雪の上を引く。動摩擦係数は 0.1 である。g = 9.81 m/s² とする。そりの加速度 a を求めよ。
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 135 N が前の 10 kg のブロックを引き、6 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 0.1 である。g = 9.81 m/s² とする。 ブロックの加速度 a を求めよ。
水平な地面からボールを 16 m/s、水平から 65° 上向きに、14 m 先の壁に向かって蹴る。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。ボールはどの高さ y で壁を通過するか。
高さ 35 m のがけの上から、ボールを 28 m/s、水平から 25° 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。
車が半径 30 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。
小さな台車を摩擦のない軌道上で静かに放し、半径 4.5 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。
質量 0.5 kg のブロックが水平と 45° をなす斜面を 5 m すべり下りる。動摩擦係数は 0.3 である。摩擦に逆らってした仕事 Wf を求めよ。
質量 5 kg のブロックを、なめらかなスロープ上の高さ 2 m から静かに放す。下で長さ 4 m の粗い水平区間(μ = 0.15)を通り、その後なめらかな面でばね(k = 5000 N/m)に当たる。 ばねの最大縮み x を求めよ。
水平に 27 m/s で動いている質量 6 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 4 kg の破片は前向きに 47 m/s で進み続ける。質量 2 kg の破片の速度 v′2 を求めよ(元の向きを正とする)。
質量 12 g の弾丸を、長さ 0.8 m の軽い糸でつり下げた質量 1 kg の木片に水平に撃ち込むと、弾丸は木片の中にとどまる。糸は鉛直から最大 15° まで振れる。g = 9.81 m/s² とする。衝突前の弾丸の速さ v を求めよ。
質量 19.5 kg、長さ 1 m の一様な細い棒が、一端をピンで支えられて水平に保たれている。静止状態から放す。g = 9.81 m/s² とする。 放した直後の自由端の加速度 atip を求めよ。
質量 4.5 kg、長さ 0.6 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 520 m/s で飛んできた 15 g の弾丸が、支点の 0.44 m 下で棒に当たり、そのまま埋まる。 g = 9.81 m/s² とする。棒が鉛直方向から振れる最大の角度 φ を求めよ。
1450 rpm で回転する 5.5 kW のモータが歯数 24 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 72 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 95% である。 モータ軸のトルク T1 を求めよ。
複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 18)が 3000 rpm で回転し、歯車 B(歯数 24)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 1350 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。
周期が 2 s になる単振り子の長さはいくらか。g = 9.81 m/s² として、L を求めよ。
ある物体が周期 2.8 s、振幅 11 cm で単振動をしている。 つり合いの位置から変位 8.8 cm まで動くのに必要な最短時間 t はどれだけか。
ばね定数 20 kN/m のばねにつながれた 25 kg の質量に、減衰比 0.45 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。
40 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 = 40 kN/m、下のばねは k₂ = 30 kN/m である。 ばね系の等価ばね定数 keq を kN/m で求めよ。
答え: s = 23.15 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。
答え: s = 542.1 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: a = 0.5067 m/s²
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.
答え: a = 7.457 m/s²
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.
答え: y = 8.997 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.
壁の位置では、ボールはすでに下降中です。
答え: α = 48.57 °
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.
エネルギー、または鉛直方向の v² = v₀² + 2as。
答え: vmax = 10.85 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。
答え: hmin = 11.25 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: Wf = 5.203 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)。
答え: x = 16.57 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: v′2 = −13 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.
マイナス符号は、2 つ目の破片が後ろ向きに飛ぶことを意味します。
答え: v = 61.67 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: atip = 14.71 m/s²
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.
放した瞬間は ω = 0 なので、向心加速度はなく、中心はまっすぐ下向きに加速します。
長さによらず atip = 1.5·g:自由端は、落とした石より速く落ちます。
答え: φ = 79.35 °
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: T1 = 36.22 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。
答え: ND = 80
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: L = 0.994 m
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: t = 0.4132 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: fd = 4.02 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。
答え: keq = 17.14 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。
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。
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