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 = 4 m/s²s = 600 m

飛行機が静止状態から滑走路に沿って 4 m/s² で一様に加速する。600 m 進んだ後の速さ v を求めよ。

v₀ = 0a = 4 m/s²s = 600 m
v = m/s
2.運動学むずかしい
v₀ = 5 m/s5 m

地面から高さ 5 m の屋上の端から、ボールを 5 m/s で真上に投げ上げる。空気抵抗は無視し、g = 9.81 m/s² とする。 投げてから地面に落ちるまでの時間 t を求めよ。

v₀ = 5 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.ニュートンの法則ふつう
箱v₀ = 11 m/sμ = ?

箱が水平な床の上を初速 11 m/s ですべり、41 m 進んで止まる。g = 9.81 m/s² とする。動摩擦係数 μ を求めよ。

v₀ = 11 m/sd = 41 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.ニュートンの法則むずかしい
3 kg8 kgTF = 135 Nμ = 0.15

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 8 kg のブロックを引き、3 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 0.15 である。g = 9.81 m/s² とする。 つないでいる糸の張力 T を求めよ。

m1 = 3 kgm2 = 8 kgF = 135 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.放物運動ふつう
v0​ = 14 m/s50°x = ?

ボールを 平らな地面から水平から 50° 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 = 14 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
x = m
6.放物運動むずかしい
8 mv0​ = 33 m/s70°x = ?

地面の高さからボールを 33 m/s、水平から 70° 上向きに投げる。ボールは下降中に、高さ 8 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 = 33 m/sθ = 70°hroof = 8 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.円運動ふつう
L = 1.1 m25°

長さ 1.1 m の糸につけた小球が、糸が鉛直と一定の角度 25° をなすように水平な円運動をしている(円すい振り子)。g = 9.81 m/s² とする。 小球の速さ v を求めよ。

L = 1.1 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.円運動むずかしい
r = 0.7 mv = ?

ボールを長さ 0.7 m の糸につけ、鉛直面内で円運動させる。g = 9.81 m/s² とする。最高点で糸がたるまずに張ったままでいられる最小の速さ vmin を求めよ。

r = 0.7 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.仕事とエネルギーふつう
30°d = 16 mμ = 0.1

ブロックが水平と 30° をなす斜面を静止状態からすべり下りる。動摩擦係数は 0.1 である。斜面に沿って 16 m すべった後の速さ v を求めよ。

θ = 30°μ = 0.1d = 16 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.仕事とエネルギーむずかしい
F = 135 N30°μ = 0.210 kg

質量 10 kg のブロックが 30° の斜面の下端で静止しており、斜面に平行な一定の力 135 N で斜面を引き上げられる。動摩擦係数は 0.2 である。ブロックが斜面を 2 m 上がった後の速さ v を求めよ。

m = 10 kgF = 135 Nθ = 30°μ = 0.2d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.運動量と衝突ふつう
7 kg38 m/s1 kgv′2​ = ?

水平に 27 m/s で動いている質量 8 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 7 kg の破片は前向きに 38 m/s で進み続ける。質量 1 kg の破片の速度 v′2 を求めよ(元の向きを正とする)。

M = 8 kgu = 27 m/sm1 = 7 kgv′1 = 38 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.運動量と衝突むずかしい
1000 kgv1​ = ?1100 kg

質量 1000 kg の自動車が、駐車中の質量 1100 kg の自動車に衝突する。2 台は一体となって 7 m すべって止まる。タイヤと路面の間の動摩擦係数は 0.7 である。g = 9.81 m/s² とする。衝突直前の 1 台目の自動車の速さ v1 を求めよ。

m1 = 1000 kgm2 = 1100 kgd = 7 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.剛体の回転ふつう
15 kgaαM = 14.5 kgR = 0.25 m

質量 15 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 14.5 kg、半径 0.25 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。 ひもの張力 T を求めよ。

m = 15 kgM = 14.5 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.剛体の回転むずかしい
2.5 m/sω

質量 9 kg の 中実の球 が、速さ 2.5 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 = 9 kgv = 2.5 m/sI = (2/5)·m·r²
Erot = J
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 24N2​ = 25

1450 rpm で回転する 1.1 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 25 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 98% である。 モータ軸のトルク T1 を求めよ。

P = 1.1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 24N2 = 25η = 98%
T1 = N·m
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 15B = 20C = 15D = 18

1450 rpm の 15 kW のモータが歯車 A(歯数 15)を駆動し、A は歯車 B(歯数 20)とかみ合う。B と同じ軸にある歯車 C(歯数 15)が出力軸の歯車 D(歯数 18)を駆動する。各かみ合いの効率は 95% である。出力トルク Tout を求めよ。

P = 15 kWnin = 1450 rpmA = 15B = 20C = 15D = 18ηmesh = 95%
Tout = N·m
17.ばねと振り子ふつう
L = 1.7 mT = 4.25 s

別の惑星にいる宇宙飛行士が、長さ 1.7 m の単振り子の小さな振れの周期が 4.25 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 = 1.7 mT = 4.25 s
g = m/s²
18.ばねと振り子むずかしい
mk = 230 N/mA = 9 cmx = 8 cm

k = 230 N/m のばねにつけたおもりが、摩擦のない面上で振幅 9 cm で振動する。 つり合いの位置から 8 cm のところでの運動エネルギー K を求めよ。

k = 230 N/mA = 9 cmx = 8 cm
K = J
19.機械振動ふつう
k = 80 kN/mc = 720 N·s/mm = 10 kg

10 kg の質量が、ばね定数 80 kN/m のばねと、減衰係数 720 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 = 10 kgk = 80 kN/mc = 720 N·s/m
ζ =
20.機械振動むずかしい
k1​ = 80k2​ = 12m = 25 kg

25 kg の質量が、横に並べた(並列の)2 本のばね k₁ = 80 kN/m、k₂ = 12 kN/m につり下げられている。質量は水平を保つ。 ばね系の等価ばね定数 keq を kN/m で求めよ。

m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.運動学

答え: v = 69.28 m/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.

その距離を進んだ後の速さ

v = √(2·a·s) = √(2·4·600) = 69.28 m/s

答え

v = 69.28 m/s
(249.4 km/h)
2.運動学

答え: t = 1.641 s

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。

運動の式

上向きを正とし、地面は出発点の h₀ 下にあります。

−5 = 5·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 5·t − 5 = 0

2 次方程式を解く

物理的に意味があるのは正の解だけです。

t = (5 + √(5² + 2·9.81·5))/9.81 = 1.641 s

答え

t = 1.641 s
3.ニュートンの法則

答え: μ = 0.1504

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.

減速度

a = v₀²/(2d) = 11²/(2·41) = 1.476 m/s²

摩擦係数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.476/9.81 = 0.1504

答え

μ = 0.1504
4.ニュートンの法則

答え: T = 36.82 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.

系全体

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (135 − 16.19)/11 = 10.8 m/s²

後ろのブロックだけ

T = m1·(a + μ·g) = 3·(10.8 + 1.472) = 36.82 N

答え

T = 36.82 N

両方のブロックの μ が同じなら、摩擦は消えます:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.放物運動

答え: x = 19.68 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 = 14·cos 50° = 8.999 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 50° = 10.72 m/s

滞空時間

発射点と着地点が同じ高さ:t = 2vy/g。

t = 2·10.72/9.81 = 2.186 s

水平距離

x = vx·t = 8.999·2.186 = 19.68 m

答え

x = 19.68 m
6.放物運動

答え: x = 68.31 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 = 11.29 m/s, vy = 31.01 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。

8 = 31.01·t − 4.905·t²
t = (31.01 + √(31.01² − 2·9.81·8))/9.81 = 6.053 s

水平距離

x = vx·t = 11.29·6.053 = 68.31 m

答え

x = 68.31 m
7.円運動

答え: v = 1.458 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.

円の半径

r = L·sin θ = 1.1·sin 25° = 0.4649 m

速さ

張力と重力を合わせると内向きの力になります:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(0.4649·9.81·tan 25°) = 1.458 m/s

答え

v = 1.458 m/s
8.円運動

答え: vmin = 2.62 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。

最高点で張力が 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.7) = 2.62 m/s

答え

vmin = 2.62 m/s
9.仕事とエネルギー

答え: v = 11.39 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 = √(2·9.81·16·(0.5 − 0.1·0.866)) = 11.39 m/s

答え

v = 11.39 m/s
10.仕事とエネルギー

答え: v = 5.252 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)。

斜面に沿った力

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
mg·sin θ = 49.05 N
μ·mg·cos θ = 16.99 N

仕事とエネルギー

½mv² = (135 − 66.04)·2 = 137.9 J
v = √(2·137.9/10) = 5.252 m/s

答え

v = 5.252 m/s
11.運動量と衝突

答え: v′2 = −50 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 = 8·27 = 216 kg·m/s

衝突後の運動量

216 = 7·38 + 1·v′2
v′2 = (216 − 266)/1 = −50 m/s

答え

v′2 = −50 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: v1 = 20.59 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.

衝突後の速さ

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·7) = 9.805 m/s

衝突での運動量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2100·9.805/1000 = 20.59 m/s

答え

v1 = 20.59 m/s
(74.13 km/h)
13.剛体の回転

答え: T = 47.95 N

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) = 15·9.81/(15 + 7.25) = 6.613 m/s²

張力

T = m·(g − a) = 15·(9.81 − 6.613) = 47.95 N

答え

T = 47.95 N
14.剛体の回転

答え: Erot = 11.25 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 = ½·9·2.5² = 28.13 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·28.13 = 11.25 J

答え

Erot = 11.25 J
15.歯車と歯車列

答え: T1 = 7.244 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 = 1100/151.8 = 7.244 N·m

答え

T1 = 7.244 N·m
16.歯車と歯車列

答え: Tout = 142.6 N·m

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.

出力回転数

nout = 1450·(15/20)·(15/18) = 906.3 rpm
ωout = 2π·906.3/60 = 94.9 rad/s

出力動力とトルク

Pout = 15000·0.95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/94.9 = 142.6 N·m

答え

Tout = 142.6 N·m
17.ばねと振り子

答え: g = 3.716 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 = 4π²·1.7/4.25² = 3.716 m/s²

答え

g = 3.716 m/s²
18.ばねと振り子

答え: K = 0.1955 J

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.

全エネルギー

E = ½·k·A² = ½·230·0.09² = 0.9315 J

x でのばねのエネルギー

U = ½·k·x² = ½·230·0.08² = 0.736 J

運動エネルギー

K = 0.9315 − 0.736 = 0.1955 J

答え

K = 0.1955 J
19.機械振動

答え: ζ = 0.4025

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·√(80000·10) = 1789 N·s/m

減衰比

ζ = c/cc = 720/1789 = 0.4025

答え

ζ = 0.4025

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: keq = 92 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

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 = 80 + 12 = 92 kN/m

答え

keq = 92 kN/m

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