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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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.
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.
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.
正味の駆動力は重さの差で、それが全質量を動かします。
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.
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: 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。
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。
最高点では鉛直速度が 0:vy² = 2gH。
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.
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.
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.
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。
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。
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。
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)。
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.
失われたエネルギーは変形、熱、音になります。
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.
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.
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.
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: 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.
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。
全体の速比 = 3.413 : 1
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.
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。
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。
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。
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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