以前,運動方程式の立て方の手順を説明しました。 運動方程式の立て方 運動の第2法則は F = ma という式の形で表せます。 この式は一体何に使えるのでしょうか?... その手順の中でもっとも大切なのは,「物体にはたらく力をすべて書く」というところです。 書き忘れがあったり,存在しない力を書いてしまったりすると,正しい運動方程式は得られません。 しかし,そうは言っても,「力を過不足なく書き込む」というのは,初学者には案外難しいものです。。。 今回はそんな人たちに向けて,物体にはたらく力を正しく書くための方法を伝授したいと思います! 例題 この例題を使いながら説明していきたいと思います。 まず解いてみましょう! …と言いたいところですが,自己流で書いてみたらなんとなく当たった,というのが一番上達の妨げになるので,今回はそのまま読み進めてください。 ① まずは重力を書き込む 物体にはたらく力を書く問題で,1つも書けずに頭を抱える人がいます。 私に言わせると,どんなに物理が苦手でも,力を1つも書けないのはおかしいです! 抵抗力のある落下運動 [物理のかぎしっぽ]. だって,その 物体が地球上にある以上, 絶対に重力は受ける んですよ!?!? 身の回りで無重量力状態でプカプカ浮かんでいる物体がありますか? ないですよね? どんな物体でも地球の重力から逃れる術はありません。 だから,力を書く問題では,ゴチャゴチャ考えずに,まずは重力を書き込みましょう。 ② 物体が他の物体と接触していないかチェック 重力を書き込んだら,次は物体の周辺に注目です。 具体的には, 「物体が別のものと接触していないか」 をチェックしてください。 物体は接触している物体から 必ず 力を受けます。 接触しているところからは,最低でも1本,力の矢印が書けるのです!! 具体的には,面に接触 → 垂直抗力,摩擦力(粗い面の場合) 糸に接触 → 張力(たるんだ糸のときは0) ばねに接触 → 弾性力(自然長のときは0) 液体に接触 → 浮力 がそれぞれはたらきます(空気の影響を考えるなら,空気の浮力と空気抵抗が考えられるが,これらは無視することが多い)。 では,これらをすべて書き込んでいきます。 矢印と一緒に,力の大きさ( kx や T など)を書き込むのを忘れずに! ③ 自信をもって「これでおしまい」と言えるように 重力,接触した箇所からの力を書き終えたら,それ以外に物体にはたらく力は存在しません。 だから「これでおしまい」です。 「これでおしまい!」と断言できるまで問題をやり込むことはとても重要。 もうすべて書き終えているのに,「あれ,他にも何か力があるかな?」と探すのは時間の無駄です。 「これでおしまい宣言」ができない人が特にやってしまいがちな間違いがあります。 それは,「本当にこれだけ?」という不安から,存在しない力を付け加えてしまうこと。 実際,(2)の問題は間違える人が多いです。 確認問題 では,仕上げとして,最後に1問やってみましょう。 この図を自分でノートに写して,まずは自力で力を書き込んでみてください!
初歩の物理の問題では抵抗を無視することが多いですが,現実にはもちろん抵抗力は無視できない大きさで存在します.もしも空気の抵抗がなかったら上から落ちる物はどんどん加速するので,僕たちは雨の日には外を出歩けなくなってしまいます.雨に当たって死んじゃう. 空気や液体の抵抗力はいろいろと複雑なのですが,一番簡単なのは速度に比例した力を受けるものです.自転車なんかでも,速く漕ぐほど受ける風は大きくなり,速度を大きくするのが難しくなります.空気抵抗から受ける力の向きは,もちろん進行方向に逆向きです. 質量 のなにかが落下する運動を考えて,図のように座標軸をとり,運動方程式で記述してみましょう.そして運動方程式を解いて,抵抗を受ける場合の速度と位置の変化がどうなるかを調べてみます. 落ちる物体の質量を ,重力加速度を ,空気抵抗の比例係数を (カッパ)とします.物体に働く力は軸の正方向に重力 ,負方向に空気抵抗 だけですから,運動方程式は となります.加速度を速度の微分形の形で書くと というものになります.これは に関する1階微分方程式です. 積分して の形にしたいので変数を分離します.両辺を で割って ここで右辺を の係数で括ります. 両辺を で割ります. 両辺に を掛けます. 【高校物理】「物体にはたらく力」(練習編) | 映像授業のTry IT (トライイット). これで変数が分離された形になりました.両辺を積分します. 積分公式 より 両辺の指数をとると( "指数をとる"について 参照) ここで を新たに任意定数 とおくと, となり,速度の式が分かりました.任意定数 は初期条件によって決まる値です.この速度の式,斜面を滑べる運動とはちょっと違います.時間 が の肩に付いているところが違います.しかも の肩はマイナスの係数です. のグラフは のようになるので,最終的に時間に関する項はゼロになり,速度は という一定値になることが分かります.この速度を終端速度といいます.雨粒がものすごく速いスピードにならないことが,運動方程式から理解できたことになります.よかったですね(誰に言ってんだろ). 速度の式が分かったので,つぎは位置について求めます.速度 を位置 の微分の形で書くと 関数 の1階微分方程式になります.これを解いて の形にしてやります.変数を分離して この両辺を積分します. という位置の式が求まりました.任意定数 も初期条件から決まります.速度の式でみたように,十分時間が経つと速度は一定になるので,位置の式も時間が経つと等速度運動で表されることになります.
例としてある点の周りを棒に繋がれて回っている質点について二通りの状況を考えよう. 両方とも質量, 運動量は同じだとする. ただ一つの違いは中心からの距離だけである. 一方は, 中心から遠いところを回っており, もう一方は中心に近いところを回っている. 前者は角運動量が大きく, 後者は小さい. 回転の半径が大きいというだけで回転の勢いが強いと言えるだろうか. 質点に直接さわって止めようとすれば, 中心に近いところを回っているものだろうと, 離れたところを回っているものだろうと労力は変わらないだろう. 運動量は同じであり, この場合, 速度さえも同じだからである. 勢いに違いはないように思える. それだけではない. 中心に近いところで回転する方が単位時間に移動する角度は大きい. 回転数が速いということだ. むしろ角運動量の小さい方が勢いがあるようにさえ見えるではないか. 角運動量の解釈を「回転の勢い」という言葉で表現すること自体が間違っているのかもしれない. 力のモーメント も角運動量 も元はと言えば, 力 や運動量 にそれぞれ回転半径 をかけただけのものであるので, 力 と運動量 の間にある関係式 と同様の関係式が成り立っている. つまり角運動量とは力のモーメントによる回転の効果を時間的に積算したものである, と言う以外には正しく表しようのないもので, 日常用語でぴったりくる言葉はないかも知れない. 回転半径の長いところにある物体をある運動量にまで加速するには, 短い半径にあるものを同じ運動量にするよりも, より大きなモーメント あるいはより長い時間が必要だということが表れている量である. もし上の式で力のモーメント が 0 だったとしたら・・・, つまり回転させようとする外力が存在しなければ, であり, は時間的に変化せず一定だということになる. これが「 角運動量保存則 」である. もちろんこれは, 回転半径 が固定されているという仮定をした場合の簡略化した考え方であるから, 質点がもっと自由に動く場合には当てはまらない. 実は質点が半径を変化させながら運動する場合であっても, が 0 ならば角運動量が保存することが言えるのだが, それはもう少し後の方で説明することにしよう. この後しばらくの話では回転半径 は固定しているものとして考えていても差し支えないし, その方が分かりやすいだろう.
■力 [N, kgf] 質量m[kg]と力F[N]と加速度a[m/s 2]は ニュートンの法則 より以下となります。 ここで出てくる力の単位はN(ニュートン)といい、 質量1kgの物を1m/s 2 の加速度で進めることが出来る力を1N と定義します。 そのためNを以下の様に表現する場合もあります。 重力加速度は、地球上で自由落下させた時に生じる加速度の事で、9. 8[m/s 2]となります。 従って重力によって質量1kgの物にかかる下向きの力は9.
運動量は英語で「モーメンタム(momentum)」と呼ばれるが, この「モーメント(moment)」とはとても似ている言葉である. 学生時代にニュートンの「プリンキピア」(もちろん邦訳)を読んだことがあるが, その中で, ニュートンがおそるおそるこの「運動量(momentum)」という単語を慎重に使い始めていたことが記憶に残っている. この言葉はこの時代に造られたのだろうということくらいは推測していたが, 語源ともなると考えたこともなかった. どういう過程でこの二つの単語が使われるようになったのだろう ? まず語尾の感じから言って, ラテン語系の名詞の複数形, 単数形の違いを思い出す. data は datum の複数形であるという例は高校でよく出てきた. なるほど, ラテン語から来ている言葉に違いない, と思って調べると, 「moment」はラテン語で「動き」を意味する言葉だと英和辞典にしっかり載っていた. 「時間の動き」→「瞬間」という具合に意味が変化していったらしい. このあたりの発想の転換は理解に苦しむが・・・. しかし, 運動量の複数形は「momenta」だということだ. 今知りたい「モーメント」とは直接関係なさそうだ. 他にどこを調べても載っていない. 回転させる時の「動かしやすさ」というのが由来だろうか. 私が今までこの言葉を使ってきた限りでは, 「回転のしやすさ」「回転の勢い」というイメージが強く結びついている. 角運動量 力のモーメントの値 が大きいほど, 物体を勢いよく回せるとのことだった. ところで・・・回転の勢いとは何だろうか. これもまたあいまいな表現であり, ちゃんとした定義が必要だ. そこで「力のモーメント」と同じような発想で, 回転の勢いを表す新しい量を作ってやろう. ある半径で回転運動をしている質点の運動量 と, その回転の半径 とを掛け合わせるのである. 「力のモーメント」という命名の流儀に従うなら, これを「運動量のモーメント」と呼びたいところである. しかしこれを英語で言おうとすると「moment of momentum」となって同じような単語が並ぶので大変ややこしい. そこで「angular momentum」という別名を付けたのであろう. それは日本語では「 角運動量 」と訳されている. なぜこれが回転の勢いを表すのに相応しいのだろうか.
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