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 = ?s = 1900 m

飛行機が離陸するには 200 km/h の速さが必要で、使える滑走路の長さは 1900 m である。静止状態から出発するとき、必要な一定の加速度 a はいくらか。

v₀ = 0v = 200 km/hs = 1900 m
a = m/s²
2.運動学むずかしい
t (s)v (m/s)8 s

路面電車が静止状態から 1.5 m/s² で 8 s 加速し、次に 9 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 = 1.5 m/s²t1 = 8 st2 = 9 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.ニュートンの法則ふつう
5.5 kg1 kg

質量 5.5 kg と 1 kg のおもりが、軽くて摩擦のない滑車の両側に軽い糸でつながれてつり下げられている。系を静かに放す。g = 9.81 m/s² とする。 おもりの加速度 a を求めよ。

m1 = 5.5 kgm2 = 1 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.ニュートンの法則むずかしい
7 kg10 kgTF = 70 Nμ = 0.3

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 70 N が前の 10 kg のブロックを引き、7 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 0.3 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 = 7 kgm2 = 10 kgF = 70 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
T = N
5.放物運動ふつう
v0​ = 38 m/s35°到達距離H = ?

ボールを 平らな地面から水平から 35° 上向きに投げる。空気抵抗は無視する。ボールが達する最高高さ H を求めよ。

v0 = 38 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
H = m
6.放物運動むずかしい
h = 15 mv0​ = 20 m/s30°H = ?

高さ 15 m のがけの上から、ボールを 20 m/s、水平から 30° 上向きに打ち出す。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。がけのふもとの地面からの最高の高さ H を求めよ。

v₀ = 20 m/sθ = 30°h = 15 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.円運動ふつう
r = 60 mvmax​ = ?

自動車が、半径 60 m の円弧になっている道路の盛り上がりの頂上を通過する。g = 9.81 m/s² とする。どの速さ vmax を超えると、頂上で車輪が路面から離れるか。

r = 60 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.円運動むずかしい
r = 1.1 m11 m/svtop​ = ?

長さ 1.1 m の軽い糸につけた質量 1.4 kg の球を鉛直な円を描くように回す。最下点での速さは 11 m/s である。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。最高点での糸の張力 Ttop を求めよ。

m = 1.4 kgr = 1.1 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.仕事とエネルギーふつう
54 km/h3°800 kg

質量 800 kg の自動車が 3° の坂を一定の 54 km/h で上る。空気抵抗と転がり抵抗の合計は 650 N である。車輪が出さなければならない動力 P を kW で求めよ。

m = 800 kgθ = 3°Fr = 650 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.仕事とエネルギーむずかしい
k = 5000 N/m20°μ = 0.32 kg

20° の斜面の下端にあるばね定数 5000 N/m のばねを、質量 2 kg のブロックに押し当てて 15 cm 縮めてから放す。ブロックと斜面の間の動摩擦係数は 0.3 である。ブロックは放した点から斜面をどれだけの距離 d 上がって止まるか。(ばねが押す短い距離は無視し、摩擦と重力は全距離 d にわたって作用するとする。)

m = 2 kgk = 5000 N/mx = 15 cmθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.運動量と衝突ふつう
1900 kg9 m/s2000 kg

9 m/s で動いている質量 1900 kg の自動車が、静止している質量 2000 kg の自動車に衝突し、2 台は一体となる。 衝突で失われる運動エネルギー ΔK はどれだけか。

m1 = 1900 kgv1 = 9 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.運動量と衝突むずかしい
1500 kg23 m/s1100 kg21 m/sθ = ?

交差点で、東向きに 23 m/s で走る質量 1500 kg の自動車が、北向きに 21 m/s で走る質量 1100 kg の自動車と衝突する。2 台は一体となる。 衝突直後の残骸の向き θ を、東から北向きに測って求めよ。

m1 = 1500 kgv1 = 23 m/s (E)m2 = 1100 kgv2 = 21 m/s (N)
θ = °
13.剛体の回転ふつう
n = 2000 rpmTb​ = 65 N·mI = 13 kg·m²

慣性モーメント 13 kg·m² のはずみ車が 2000 rpm で回っている。ブレーキが一定の摩擦トルク 65 N·m を加える。 止まるまでにかかる時間 t を求めよ。

I = 13 kg·m²n = 2000 rpmTb = 65 N·m
t = s
14.剛体の回転むずかしい
460 m/s15 g0.97 mL = 1.3 m8.5 kgφ

質量 8.5 kg、長さ 1.3 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 460 m/s で飛んできた 15 g の弾丸が、支点の 0.97 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 = 8.5 kgL = 1.3 mm = 15 gv = 460 m/sd = 0.97 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 24, m = 4 mm

1440 rpm で回転する 4 kW のモータが、歯数 24、モジュール 4 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。

P = 4 kWn = 1440 rpmN1 = 24m = 4 mm
Ft = N
16.歯車と歯車列むずかしい
A = 15B = 48C = 45D = 48

複合歯車列において、1500 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 15)が歯車 B(歯数 48)を駆動する。歯車 C(歯数 45)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 48)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 1500 rpmA = 15B = 48C = 45D = 48
nout = rpm
17.ばねと振り子ふつう
3.5 kgk = 300 N/mA = 8 cmx = 7 cm

k = 300 N/m のばねにつけた質量 3.5 kg のおもりが、摩擦のない面上で振幅 8 cm で振動する。つり合いの位置から 7 cm のところでの速さ v を求めよ。

m = 3.5 kgk = 300 N/mA = 8 cmx = 7 cm
v = m/s
18.ばねと振り子むずかしい
2 kgk = 210 N/mA = 20 cm

k = 210 N/m のばねにつけた質量 2 kg の物体を、つり合いの位置から 20 cm 引いて静かに放す。 最大の速さ vmax を求めよ。

m = 2 kgk = 210 N/mA = 20 cm
vmax = m/s
19.機械振動ふつう
k = 20 kN/mζ = 0.3m = 5 kg

ばね定数 20 kN/m のばねにつながれた 5 kg の質量に、減衰比 0.3 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 = 5 kgk = 20 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.機械振動むずかしい
k1​ = 5k2​ = 40m = 5 kg

5 kg の質量が、横に並べた(並列の)2 本のばね k₁ = 5 kN/m、k₂ = 40 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 = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.運動学

答え: a = 0.8122 m/s²

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.

単位

v = 200/3.6 = 55.56 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 55.56²/(2·1900) = 0.8122 m/s²

答え

a = 0.8122 m/s²
2.運動学

答え: s = 176.6 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 = 1.5·8 = 12 m/s

各段階の距離

s1 = ½·1.5·8² = 48 m
s2 = 12·9 = 108 m
s3 = 12²/(2·3.5) = 20.57 m

全距離

s = 48 + 108 + 20.57 = 176.6 m

答え

s = 176.6 m
3.ニュートンの法則

答え: a = 6.792 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.

加速度

正味の駆動力は重さの差で、それが全質量を動かします。

a = (5.5 − 1)·9.81/(5.5 + 1) = 6.792 m/s²

答え

a = 6.792 m/s²
4.ニュートンの法則

答え: T = 28.82 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) = (70 − 50.03)/17 = 1.175 m/s²

後ろのブロックだけ

T = m1·(a + μ·g) = 7·(1.175 + 2.943) = 28.82 N

答え

T = 28.82 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: H = 24.21 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 = 38·cos 35° = 31.13 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 35° = 21.8 m/s

最高点

最高点では鉛直速度が 0:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 21.8²/(2·9.81) = 24.21 m

答え

H = 24.21 m
6.放物運動

答え: H = 20.1 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.

鉛直方向の初速

vy = 20·sin 30° = 10 m/s

がけの上からの上昇高さ

Δh = vy²/(2g) = 10²/(2·9.81) = 5.097 m

地面からの高さ

H = 15 + 5.097 = 20.1 m

答え

H = 20.1 m
7.円運動

答え: vmax = 24.26 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.

垂直抗力 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·60) = 24.26 m/s

答え

vmax = 24.26 m/s
(87.34 km/h)
8.円運動

答え: Ttop = 85.33 N

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.

最高点での速さ

高さ 2r の間に運動エネルギーが位置エネルギーに変わります。

vtop² = 11² − 4·9.81·1.1 = 77.84 m²/s²

最高点での力

張力と重力はどちらも下向き、つまり中心に向かっています。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.4·77.84/1.1 − 1.4·9.81 = 85.33 N

答え

Ttop = 85.33 N
9.仕事とエネルギー

答え: P = 15.91 kW

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)。 動力は力 × 速さです:P = F·v。

駆動力

m·g = 800·9.81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 3° = 410.7 N
F = 410.7 + 650 = 1061 N

電力

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1061·15 = 15911 W = 15.91 kW

答え

P = 15.91 kW
10.仕事とエネルギー

答え: d = 4.595 m

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)。

ばねのエネルギー

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·5000·0.15² = 56.25 J

斜面に沿ったエネルギー収支

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 56.25/(19.62·(0.342 + 0.3·0.9397)) = 4.595 m

答え

d = 4.595 m
11.運動量と衝突

答え: ΔK = 39462 J

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.

共通の速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1900·9/3900 = 4.385 m/s

衝突前後の運動エネルギー

Kbefore = ½·1900·9² = 76950 J
Kafter = ½·3900·4.385² = 37488 J

失われたエネルギー

ΔK = 76950 − 37488 = 39462 J

答え

ΔK = 39462 J

失われたエネルギーは変形、熱、音になります。

12.運動量と衝突

答え: θ = 33.8 °

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.

運動量の成分

px = 1500·23 = 34500 kg·m/s
py = 1100·21 = 23100 kg·m/s

向き

tan θ = py/px = 0.6696 → θ = 33.8°

答え

θ = 33.8°
13.剛体の回転

答え: t = 41.89 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.

角速度

ω = 2π·2000/60 = 209.4 rad/s

減速度と時間

α = Tb/I = 65/13 = 5 rad/s²
t = ω/α = 209.4/5 = 41.89 s

答え

t = 41.89 s
14.剛体の回転

答え: φ = 23.91 °

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 = 8.5·1.3²/3 + 0.015·0.97² = 4.802 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 = 0.015·460·0.97/4.802 = 1.394 rad/s

振れの間のエネルギー

½·I·ω² = ½·4.802·1.394² = 4.664 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 54.34·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 4.664/54.34 = 0.9142 → φ = 23.91°

答え

φ = 23.91°
15.歯車と歯車列

答え: Ft = 552.6 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.

ピニオンのトルク

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 4000/150.8 = 26.53 N·m

ピッチ円直径

d = m·N = 4·24 = 96 mm

接線力

Ft = 2T/d = 2·26.53/0.096 = 552.6 N

答え

Ft = 552.6 N
16.歯車と歯車列

答え: nout = 439.5 rpm

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。

第 1 段

nB = 1500·15/48 = 468.8 rpm = nC

第 2 段

nout = 468.8·45/48 = 439.5 rpm

答え

nout = 439.5 rpm

全体の速比 = 3.413 : 1

17.ばねと振り子

答え: v = 0.3586 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.

角周波数

ω = √(300/3.5) = 9.258 rad/s

x での速さ

v = ω·√(A² − x²) = 9.258·√(0.08² − 0.07²) = 0.3586 m/s

答え

v = 0.3586 m/s
18.ばねと振り子

答え: vmax = 2.049 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。

角周波数

ω = √(210/2) = 10.25 rad/s

最大の速さ

vmax = A·ω = 0.2·10.25 = 2.049 m/s

答え

vmax = 2.049 m/s
19.機械振動

答え: fd = 9.602 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 = √(20000/5) = 63.25 rad/s
fn = 63.25/(2π) = 10.07 Hz

減衰固有振動数

fd = fn·√(1 − ζ²) = 10.07·√(1 − 0.3²) = 9.602 Hz

答え

fd = 9.602 Hz
20.機械振動

答え: keq = 45 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 = 5 + 40 = 45 kN/m

答え

keq = 45 kN/m

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