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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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)2.778 s16.67

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。

v₀ = 60 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.運動学むずかしい
t (s)v (m/s)11 s

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。

a1 = 2 m/s²t1 = 11 st2 = 16 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.ニュートンの法則ふつう
20 kg15°F = 30 Nμ = 0.1

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。

m = 20 kgF = 30 Nθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.ニュートンの法則むずかしい
6 kg10 kgTF = 135 Nμ = 0.1

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。

m1 = 6 kgm2 = 10 kgF = 135 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.放物運動ふつう
14 my = ?v0​ = 16 m/s65°

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。

v₀ = 16 m/sθ = 65°x = 14 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.放物運動むずかしい
h = 35 mv0​ = 28 m/s25°α = ?

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。

v₀ = 28 m/sθ = 25°h = 35 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.円運動ふつう
r = 30 mvmax​ = ?

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。

r = 30 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.円運動むずかしい
R = 4.5 mh = ?

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。

R = 4.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.仕事とエネルギーふつう
45°d = 5 mμ = 0.3

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。

m = 0.5 kgθ = 45°μ = 0.3d = 5 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.仕事とエネルギーむずかしい
h = 2 mL = 4 mμ = 0.15k = 5000 N/m

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。

m = 5 kgh = 2 mL = 4 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.運動量と衝突ふつう
4 kg47 m/s2 kgv′2​ = ?

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)。

M = 6 kgu = 27 m/sm1 = 4 kgv′1 = 47 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.運動量と衝突むずかしい
1 kgv = ?12 g15°L = 0.8 m

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。

m = 12 gM = 1 kgL = 0.8 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.剛体の回転ふつう
L = 1 mm = 19.5 kgα

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。

m = 19.5 kgL = 1 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.剛体の回転むずかしい
520 m/s15 g0.44 mL = 0.6 m4.5 kgφ

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。

M = 4.5 kgL = 0.6 mm = 15 gv = 520 m/sd = 0.44 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 24N2​ = 72

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。

P = 5.5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 24N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 18B = 24C = 48D = ?

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。

nin = 3000 rpmA = 18B = 24C = 48nout = 1350 rpm
ND =
17.ばねと振り子ふつう
L = ?

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。

T = 2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.ばねと振り子むずかしい
t (s)x (cm)t = ?8.8

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。

T = 2.8 sA = 11 cmx = 8.8 cm
t = s
19.機械振動ふつう
k = 20 kN/mζ = 0.45m = 25 kg

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。

m = 25 kgk = 20 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.機械振動むずかしい
k1​ = 40k2​ = 30m = 40 kg

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。

m = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.運動学

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。

単位

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

制動距離

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·6) = 23.15 m

答え

s = 23.15 m
2.運動学

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.

最高速度

v = a1·t1 = 2·11 = 22 m/s

各段階の距離

s1 = ½·2·11² = 121 m
s2 = 22·16 = 352 m
s3 = 22²/(2·3.5) = 69.14 m

全距離

s = 121 + 352 + 69.14 = 542.1 m

答え

s = 542.1 m
3.ニュートンの法則

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.

垂直抗力

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 30·sin 15° = 188.4 N

水平方向の力

m·a = F·cos θ − μ·N = 28.98 − 18.84
a = 10.13/20 = 0.5067 m/s²

答え

a = 0.5067 m/s²
4.ニュートンの法則

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.

系全体

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (135 − 15.7)/16 = 7.457 m/s²

答え

a = 7.457 m/s²
5.放物運動

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.

壁までの時間

vx = 16·cos 65° = 6.762 m/s
t = x/vx = 14/6.762 = 2.07 s

その時刻での高さ

y = 14.5·2.07 − ½·9.81·2.07² = 8.997 m

答え

y = 8.997 m

壁の位置では、ボールはすでに下降中です。

6.放物運動

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.

初速度を分解する

vx = 28·cos 25° = 25.38 m/s
vy0 = 28·sin 25° = 11.83 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 = √(11.83² + 2·9.81·35) = 28.75 m/s

衝突角

tan α = vy/vx = 28.75/25.38 → α = 48.57°

答え

α = 48.57°
7.円運動

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。

摩擦力が向心力になる

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.4·9.81·30) = 10.85 m/s

答え

vmax = 10.85 m/s (39.06 km/h)
8.円運動

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.

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 = 2.5·4.5 = 11.25 m

答え

hmin = 11.25 m
9.仕事とエネルギー

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 4.905·0.7071 = 3.468 N
F = μN = 0.3·3.468 = 1.041 N

摩擦に逆らう仕事

Wf = F·d = 1.041·5 = 5.203 J

答え

Wf = 5.203 J
10.仕事とエネルギー

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)。

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 = 49.05·(2 − 0.15·4) = 68.67 J

最大縮み

½kx² = 68.67 → x = √(2·68.67/5000) = 0.1657 m = 16.57 cm

答え

x = 16.57 cm
11.運動量と衝突

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.

衝突前の運動量

p = M·u = 6·27 = 162 kg·m/s

衝突後の運動量

162 = 4·47 + 2·v′2
v′2 = (162 − 188)/2 = −13 m/s

答え

v′2 = −13 m/s

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。

12.運動量と衝突

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.

木片の上昇

h = L·(1 − cos θ) = 0.8·(1 − cos 15°) = 0.02726 m

衝突後の速さ

V = √(2·9.81·0.02726) = 0.7313 m/s

衝突

v = (m + M)·V/m = 1.012·0.7313/0.012 = 61.67 m/s

答え

v = 61.67 m/s
13.剛体の回転

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.

ピンまわりのモーメント

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。

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1) = 14.71 rad/s²

自由端の加速度

atip = α·L = 14.71·1 = 14.71 m/s²

答え

atip = 14.71 m/s²

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。

14.剛体の回転

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.

衝突後の慣性モーメント

I = M·L²/3 + m·d² = 4.5·0.6²/3 + 0.015·0.44² = 0.5429 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 = 0.015·520·0.44/0.5429 = 6.322 rad/s

振れの間のエネルギー

½·I·ω² = ½·0.5429·6.322² = 10.85 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 13.31·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 10.85/13.31 = 0.1849 → φ = 79.35°

答え

φ = 79.35°
15.歯車と歯車列

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。

モータのトルク

ω₁ = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/151.8 = 36.22 N·m

答え

T1 = 36.22 N·m
16.歯車と歯車列

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.

中間軸の回転速度

nB = nC = 3000·18/24 = 2250 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 48·2250/1350 = 80

答え

ND = 80
17.ばねと振り子

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。

長さを求める

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2/2π)² = 0.994 m

答え

L = 0.994 m
18.ばねと振り子

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.

角周波数

ω = 2π/T = 2π/2.8 = 2.244 rad/s

時間について解く

0.8 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.8) = 0.9273 rad
t = 0.9273/2.244 = 0.4132 s

答え

t = 0.4132 s
19.機械振動

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。

減衰のない固有振動数

ωn = √(20000/25) = 28.28 rad/s
fn = 28.28/(2π) = 4.502 Hz

減衰固有振動数

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4.502·√(1 − 0.45²) = 4.02 Hz

答え

fd = 4.02 Hz
20.機械振動

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。

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 = 1/40 + 1/30 → keq = 40·30/(40 + 30) = 17.14 kN/m

答え

keq = 17.14 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics