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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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.
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。
上向きを正とし、地面は出発点の h₀ 下にあります。
物理的に意味があるのは正の解だけです。
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.
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.
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)。
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。
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。
発射点と着地点が同じ高さ:t = 2vy/g。
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.
大きい方の解:ボールは下降中です。
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.
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)。
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。
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)。
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: 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)。
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.
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: 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.
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.
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.
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。
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.
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.
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.
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。
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。
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。
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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