東工大物理 '12 年前期 [1] 幅の無視できる円弧型のレール ABC( 半径 R ,長さ ) があり、円弧を含む面と床が垂直になるよう置かれている。レールの中央 B は常に床に固定されており、 B を通る鉛直線 OB を軸としてレールは回転することができる。大きさの無視できる物体 ( 質量 M )は、レール上を運動するとき、レールに束縛されながらなめらかに運動し、両端 (A , C) でのみレールから離れることができる。 物体が円弧型レール上を運動するとき、円弧の中心 O から見て、物体が OB となす角を θ とする。重力加速度の大きさを g とし、以下の問いに答えよ。 [A] レールが回転していないとき、質量 M の物体を A に乗せ、静かに離したところ、物体はレール上を図 1 のように運動し始めた。
(a) 物体が角 θ ( ) の位置を運動しているとき、物体の速さ、レールから受ける垂直抗力を求めよ。 (b) 物体がレール上を運動し、 B の位置に到達したとき、レール上で静止していた大きさの無視できる物体 ( 質量 m )と衝突した。衝突後、質量 m の物体はレール上をなめらかに運動し、再び衝突することなく、レールの端 C から離れた。 2 つの物体間の反発係数が e ( )であるとき、この運動が実現するための m の条件を求めよ。 [B] OB を軸にして、円弧型のレールを図 2 のように回転させる。このとき、レール上の物体 ( 質量 M )はレールとともに回転運動する。
(c) ある角速度 ω でレールが回転し、角 θ ( ) の位置で物体が等速円運動している場合について考える。この運動を、回転しているレール上の観測者から見ると、物体に働く力は図 3 のようにつり合い、物体は静止して見える。この観測者から見た物体に働く力 ( 図 3 :ア,イ,ウ ) の名称を書け。また、この運動は角速度 ω が の条件を満たすとき実現する。このとき , を求めよ。 (d) 問 (c) において、レールの角速度を ( ) に固定する。このとき、回転しているレール上の観測者から見ると、角 の位置で物体に働く力はつり合い、物体は静止して見える。次に、物体をつり合いの位置から少し動かし離したところ、物体はレール上を運動し始めた。円弧型レールを含む平面内で物体に働く力は、図 3 の 3 種類である。物体が角 θ ( ) の位置で運動しているとき、物体に働くレールに沿った方向の力の大きさを、重力加速度 g を用いずに表せ。 (e) 問 (d) において、角 からの変位 ( ) が十分に小さい場合について考える。このとき、物体に働くレールに沿った方向の力は、つり合いの位置からの距離に比例し、その方向は常につり合いの位置を向いているため、物体は単振動をする。この単振動の周期を重力加速度 g を用いずに表せ。 ただし、 が十分小さいとき、 の項は無視することができ、必要なら次の式を用いよ。 (f) 問 (c) の状態から、レールの角速度 ω をゆっくりと増加させた。この過程において角速度の変化は十分小さいため、短い時間における物体の運動は角速度 ω の等速円運動をみなすことができる。角速度が に達したとき、物体はレールの端 A から離れた。このとき、レールを真上から見ると、床面で定義されている x 軸と、図 4 のように重なって見えた。その後、レールから離れた物体はしばらくして床に落下し、レールは角速度 を保ったまま回転した。物体が落下したとき、物体とレールを真上から見ると、図 5 のように見えた。 【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。
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解答 地球上で北半球では、低気圧に吹き込む風は反時計回りに回るような渦を描きます。地球上で見て「 コリオリの力 」と呼ばれる 慣性力 が、 速度 に対して右向きに働くためです ( 南半球では逆になります ) 。北半球の状況をモデル化した (f) で、この発生原因を考察していますが、「 コリオリの力 」は高校範囲外であるため、空所補充形式の出題になったと思われます ( もちろん、解答に知識は不要です ) 。 質量 M の物体を M , 質量 m の物体を m と呼ぶことにします。 [A](a) A にいるとき、物体 M の床からの 高さ は、 です。物体 M の エネルギー は、 位置エネルギー のみです。 物体 M が角 θ の位置に来たとき、物体 M の床からの 高さ は で、物体 M の 速さ を v として、物体 M は 運動エネルギー と 位置エネルギー を持っています。 両地点での 力学的エネルギー保存 より、 ∴ ......[ 答 ] ・・・@ 角 θ の位置に来たときの物体 M の法線方向の 運動方程式 は、物体 M がレールから受ける 垂直抗力 を N として、 @を代入して、
......[ 答 ]
(b) 衝突直前の物体 M の 速さ は、@で として、 ・・・A Bを代入して、
∴ 物体 m の B での エネルギー は、 運動エネルギー のみです。物体 m の C での 速さ を として、物体 m は C において 運動エネルギー と 位置エネルギー を持っています。 B と C での力学的エネルギー保存 より、 物体 m が C においてレールから離れる条件は、 C においても 運動エネルギー を有すること、つまり、 で、 ∴ Aを代入して、 ∴ ∴ ......[ 答 ] [B](c) ( ア ) 垂直抗力 ( イ ) 遠心力 ( ウ ) 重力 ......[ 答 ]
垂直抗力 を N とします。 重力 は ,物体の 回転半径 は で、物体に働く 遠心力 は ,これらの 力のつり合い は、 鉛直方向: ,水平方向: , ∴ ・・・C より ∴ , よって、 , ......[ 答 ]
(d) Cは、 となります。これより、 です。 重力 の接線方向成分は接線に沿って下向きに , 遠心力 の接線方向成分は接線に沿って上向きに ,接線方向に働く 力 の大きさは、 ......[ 答 ]
(e) 問題文の近似を行うと、
物体の 変位 を ,物体の 加速度 を a として、運動方程式 は、 ∴ これは、 角振動数 の 単振動 を表します。単振動の 周期 T は、 ......[ 答 ]
(f) 物体は、レールから離れた後、回転運動の接線方向 (x 軸に垂直な方向 ) に等速度運動します。物体に働く 力 は 重力 のみです。物体に働く 力 は、 x 軸の正の向きに 0 ,鉛直下向きに です。 @ 0 A ......[ 答 ] 物体の鉛直方向の運動は自由落下と同じです。床に落下するまでの 時間 を t として、レールから離れたとき 高さ だったので、 ∴ B ......[ 答 ] 物体 A は、レールから離れる直前、 半径 , 角速度 の 等速円運動 をしていました。物体 A の 速さ は です。 x 軸正方向に等速度運動するときの 速さ も です。落下地点を P , P から x 軸に下ろした垂線を PH とします。 時間 進むので、落下地点と x 軸との 距離 PH は、 B との 距離 OB は、
C ......[ 答 ] D ......[ 答 ] 時間 の間のレールの回転角 は、 角速度 で回っているので、 よって、 E ......[ 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。
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