阪大物理'07年前期[1]
図のように、長さ,質量Mの細く一様な剛体棒が、水平な床の上に床と角度となるように置かれ、上端からの位置で台のカドと接するように立てかけてある。台のカドは滑らかで、棒との間に摩擦力は働かない。床面はあらく、棒との間に摩擦力が働く。棒が床面に接する点をAとし、Aにおいて棒が床から受ける垂直抗力の大きさを,摩擦力をとする。また、棒が台のカドと接する点をBとし、棒に垂直な方向に働くBにおける抗力の大きさをとする。の正の方向は図に示す矢印の向きとする。また、棒と床面の間の静止摩擦係数をμ,重力加速度をgとする。棒の中心には重力が働く。
T.水平な外力を棒の中心に加えたところ、棒は静止したままであった。ただし、水平外力の大きさは棒の重さのp倍()とし、右向きに働くときにとする。 問1 棒に働く力の、点Aのまわりのモーメントのつりあいより、を、M,L,g,pのうちの必要なものを用いて表せ。 問2 棒に働く力のつりあいより、を、M,L,g,pのうちの必要なものを用いて表せ。 問3 棒に働く力のつりあいより、を、M,L,g,pのうちの必要なものを用いて表せ。 問4 のときに棒が静止しているためのμの範囲を求めよ。 U.次に、棒が動かないように手で支えてから、棒の中心に水平外力を加えた。手を棒から放すと、水平外力()と静止摩擦係数(μ)の大きさに応じて、棒は静止したままか運動を始めるかのいずれかである。棒が静止したままであるためには、次の3つの条件が同時に満たされなければならない。 (条件a) 台のカド(点B)から棒が離れない。
(条件b) 床から棒が離れない。
(条件c) 床に接する棒の端部が左にも右にもすべらない。
今の場合、条件bは、条件cが満たされているときには、必ず満たされている。
問5 左向きの大きな水平外力()を加えたときに、条件aが破れてしまう。条件aが満たされるための、pの範囲を求めよ。 問6 床の静止摩擦係数が小さいときに条件cが破れてしまう。棒の下端が左にすべらないためにμ,,が満たすべき条件式を適当に式変形すると、pとμの間の関係式として次のように表せる。(1),(2),(3)に適当な数を入れよ。 問7 同様にして、棒の下端が右にすべらないためにpとμが満たすべき条件は次式で表せる。(4),(5),(6)に適当な数を入れよ。
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
解答 力のモーメントの問題です。誘導が親切で、指示通りにやっていけば解答できますが、誘導がなくても解答できるようにしておきたいところです。
条件a),b),c)が与えられているのは、受験技巧など暗記してこなくても良い、というメッセージなのでしょうけれども、これくらいは知識としてもっているべきだと思います。
T.問1 点Aのまわりの力のモーメントを考えるので、とはうでの長さ(点Aから力の作用線に下ろした垂線の長さ)が0で考える必要はありません。 重力 (時計回り)のうでの長さは,水平外力 (時計回り)のうでの長さは,抗力 (反時計回り)のうでの長さは,よって、点Aのまわりの力のモーメントのつり合いは(反時計回りを正として)、 ∴ ......[答]
問2 を求めるためには鉛直方向の力のつり合いを考えます。鉛直方向に働く力は垂直抗力(上向き)のほかに、重力(下向き),抗力の鉛直方向成分 (上向き),よって、鉛直方向の力のつり合いは、 問1の結果を用いて、
......[答]
問3 を求めるためには水平方向の力のつり合いを考えます。水平方向に働く力は静止摩擦力 (向きはわからない、正負ともありうる)のほかに、水平外力 (右向き),抗力の水平方向成分 (左向き),よって、水平方向の力のつり合いは、 問1の結果を用いて、
......[答]
問4 で水平外力がなく、点Aで棒の下端は左側にすべろうとしているので、棒が静止しているためには、点Aで右向きの静止摩擦力が最大静止摩擦力以下であることが必要十分(摩擦力を参照)です。のとき、, ∴
U.問5 台のカド(点B)から棒が離れない条件は、
∴ ......[答]
問6 棒の下端が左側にすべらない条件は、右向きの静止摩擦力が最大静止摩擦力以下であることです。 で割り整理すると、 ・・・@ (1) ,(2) ,(3) 1 ......[答]
問7 棒の下端が右側にすべらない条件は、左向きの静止摩擦力が最大静止摩擦力以下であることです。 で割り整理すると、 ・・・A
問8 領域を図示する際にであることに注意します。と問5の結果,問6の結果@,問7の結果Aをすべて満たせば、棒が静止したままになります。 @の境界線 ・・・B に対して、問題文に指定されているような変形を行うと、,,として、 これは、,を漸近線とする双曲線です。
@は、のとき、 ・・・C
のとき、 ・・・D
Aの境界線に対して、問題文に指定されているような変形を行うと、,,として、 これは、,を漸近線とする双曲線です(Bとp軸に関して対称)。
Aは、のとき、 ・・・E
のとき、 ・・・F
上記で、のとき、CかつEを満たす必要がありますが、Eよりになってしまうので、のときには条件をみたすμは存在しません。
結局、求める領域は、かつDかつFの部分となり、図示すると右図斜線部(境界線を含む)。
図中のは、Bとp軸との交点で、Bでとすることにより、 (問5の結果の符号を変えたものに一致) ......[答]
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
物理TOP TOPページに戻る
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
各問題の著作権は
出題大学に属します。©2005-2024(有)りるらる 苦学楽学塾 随時入会受付中!理系大学受験ネット塾苦学楽学塾(ご案内はこちら)ご入会は、
まず、こちらまでメールを
お送りください。