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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. 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). 抵抗力のある落下運動 [物理のかぎしっぽ]. 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.
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! 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! 【高校物理】「物体にはたらく力のつりあいと分解」(練習編) | 映像授業のTry IT (トライイット). 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!
239cal) となります。また、1Jは1Wの出力を1秒与えたという定義です。 なお上記で説明したトルクも同じ単位ですが、両者は異なります。回転運動体の仕事は、力に対して回転距離[rad]をかけたものになります。 電気の分野ではkWhが仕事(電力量)となり、1kWの電力を1時間消費した時の電力量を1kWhと定義し、以下の式で表すことができます。 <単位> 1J =1Ws = 0. 239[cal] 1kWh = 3. 6 × 10 6 [J] ■仕事とエネルギーの違い 仕事と エネルギー はどちらも同じ単位のジュール[J]ですが、両者は異なるもので、エネルギーは仕事をできる能力です。 例えば、100Jのエネルギーを持った物体が10Jの仕事をしたら、物体に残るエネルギーは90Jとなります。また逆もしかりで、90Jのエネルギーを持つ物体に更に10Jの仕事をしたら、物体のエネルギーは100Jになります。
この定義式ばかりを眺めて, どういう意味合いで半径の 2 乗が関係しているのだろうかなんて事をいくら悩んでも無駄なのである.
807 m s −2) h: 高さ (m) 重力による 力 F は質量に比例します。 地表近くでは、地球が物体を引く力は位置によらず一定とみなせるので、上記のように書き表せます。( h の変化が地球の半径に比べて小さいから) 重力による位置エネルギー (宇宙スケール) M: 物体1(地球)の質量 (kg) m: 物体2の質量 (kg) G: 重力定数 (6.
05/17/2021 物理, ヒント集 第6回の物理のヒント集は、物体に働く力の図示についてです。力学では、物体に働く力を正しく図示できれば、ほぼ解けたと言っても過言ではありません。そう言っても良いほど力を正しく図示することは重要です。 力のつり合いを考えるときや運動方程式を立てるとき、力の作用図を利用しながら解くので、必ずマスターしておきましょう。 物体に働く力を正しく図示しよう さっそく問題です。 例題 ばね定数kのばねに小球A(質量m)がつながれており、軽い糸を介してさらに小球B(質量M)がつながれている。このとき、小球A,Bに働く力の作用図を図示せよ。 物体に力が働く(作用する)様子を描いた図 のことを 力の作用図 と言います。物体に働く力を矢印(ベクトル)で可視化します。 矢印の向きや大きさ によって、 物体に働く力の様子を把握することができる 便利な図です。 物体が1つであれば、力の作用図を描くのに苦労しないでしょう。 しかし、問題では、物体である小球が1つだけでなく2つある 複合物体 を扱っています。物体が複数になった途端に描けなくなる人がいますが、皆さんはどうでしょうか? とりあえず、メガネ君の解答を聞いてみましょう。 メガネ君 メガネ先生っ!できましたっ! メガネ先生 メガネ君はいつも元気じゃのぅ。 メガネ君 僕が書いた図は(1),(2)になりますっ! メガネ先生 メガネ君が考えた力の作用図 メガネ先生 ほほぅ。それでは小球A,Bに働く力を教えてくれんかのぅ。 メガネ君 まず、小球Aでは、上側にばね、下側に小球Bがつながれています。 メガネ君 ですから、上向きに「 ばねの弾性力 」が働き、下向きに「 Aが受ける重力に加えて、Bが受ける重力 」も働くと考えました。 メガネ先生 なるほどのぅ。次は小球Bじゃの。 メガネ君 小球Bでは、上側にばねがあり、下側に何もありません。 メガネ君 ですから、小球Bには、上向きに「 ばねの弾性力 」が働き、下向きに「 Bが受ける重力 」が働くと考えました。 メガネ君 どうですか? 自分ではバッチリだと思うのですがっ! (自画自賛) メガネ先生 自分なりに筋の通った答えを出せるのは偉いぞぃ。 メガネ君 それでは今回こそ大正解ですかっ!
力のモーメント 前回の話から, 中心から離れているほど物体を回転させるのに効率が良いという事が分かる. しかし「効率が良い」とはあいまいな表現だ. 何かしっかりとした定義が欲しい. この「物体を回転させようとする力」の影響力をうまく表すためには回転の中心からの距離 とその点にかかる回転させようとする力 を掛け合わせた量 を作れば良さそうだ. これは前の話から察しがつく. この は「 力のモーメント 」と呼ばれている. 正式にはベクトルを使った少し面倒な定義があるのだが, しばらくは本質だけを説明したいのでベクトルを使わないで進むことにする. しかし力の方向についてはここで少し注意を入れておかないといけない. 先ほどから私は「回転させようとする力」という表現をわざわざ使っている. これには意味がある. 力がおかしな方向に向けられていると, それは回転の役に立たず無駄になる. それを計算に入れるべきではない. 次の図を見てもらいたい. 青い矢印で描いた力は棒の先についた物体を回転させるだろうが無駄も多い. この力を 2 方向に分解してやると赤と緑の矢印になる. 赤い矢印の力は物体を回転させるが, 緑の矢印は全く回転の役に立っていない. つまり, 上の定義式での としては, この赤い矢印の大きさだけを代入すべきなのだ. 「回転させようとする力」と言ってきたのはこういう意味だったのである. 力のモーメント をこのように定義すると, 物体の回転への影響を表しやすくなる. 例えば中心からの距離が違う幾つかの点にそれぞれ値の違う力がかかっていたとして, それらが互いに打ち消す方向に働いていたとしよう. ベクトルを使って定義していないのでどちら向きの回転をプラスとすべきかははっきり決められないのだが, まぁ, 適当にどちらかをプラス, どちらかをマイナスと自分で決めて を計算してほしい. それが全体として 0 になるようなことがあれば, 物体は回転を始めないということになる. また合計の の数値が大きいほど, 勢いよく物体を回転させられるということも分かる. は, 物体の各点に働くそれぞれの力が, 物体の回転の駆動に貢献する度合いを表した数値として使えることになる. モーメントとは何か この「力のモーメント」という言葉の由来がどうも謎だ. モーメントとは一体どんな意味なのだろうか.