東大物理 '02 年前期 [1] 長さ L の不透明な細いパイプの中に、質量 m の小球 1 と質量 の小球 2 が埋め込まれている。パイプは直線状で曲がらず、その口径、及び小球以外の部分の質量は無視できるほど小さい。また小球は質点とみなしてよいとし、重力加速度を g とする。これらの小球の位置を調べるために次の二つの実験を行った。 T まず、図 1-1 に示したように、パイプの両端 A , B を支点 a , b で水平に支え、両方の支点を近づけるような力をゆっくりとかけていったところ、まず b が C の位置まで滑って止まり、その直後に今度は a が滑り出して D の位置で止まった。パイプと支点の間の静止摩擦係数、及び動摩擦係数をそれぞれ μ , ( ただし ) と記すことにして、以下の問に答えよ。 (1) bが C で止まる直前に支点 a , b にかかっているパイプに垂直な方向の力をそれぞれ , とする。このときのパイプに沿った方向の力のつり合いを表す式を書け。 (2) AC の長さを測定したところ であった。パイプの重心が左端 A から図って l の位置にあるとするとき、重心の周りの力のモーメントのつり合いを考えることにより、 を l , μ , を用いて表せ。 (3) CD の長さを測定したところ であった。摩擦係数の比 を , で表せ。 (4) 上記の測定から重心の位置 l を求めることができる。 l を , で表せ。 (5) さらに両方の支点を近づけるプロセスを続けると、どのような現象が起こり、最終的にどのような状態に行き着くか、理由も含めて簡単に述べよ。
U 次に、パイプの端 A に小さな穴を開け、図 1-2 のようにそこを支点として鉛直に立てた状態から静かにはなし、パイプを回転させた。パイプが 回転したときの端 B の速度の大きさを測ったところ、 v であった。端 A から図った小球 1 , 2 の位置をそれぞれ , として以下の問に答えよ。 ( 支点での摩擦および空気抵抗は無視できるものとする。 ) (1) v を , ,g , L を用いて表せ。 (2) v を実験Tで得られた重心の位置 l の値を用いて表したところ、
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解答 物差しの上に消しゴムでも置いて、 2 本のボールペンなどで支えながらボールペンに内向きに力をかけてみてください。この問題の実験を簡単に行うことができます。 おもりはどこに隠されているのか、探索を楽しませてくれる問題でもあります。 T (1) パイプは水平方向に動かず、支点が動く、ということに注意してください。パイプに水平方向に働く 力 は、 a から受ける右向きの 静止摩擦力 と b から受ける左向きの 動摩擦力 です。bが C で止まる直前に、パイプが a から受ける 摩擦力 は、 a が滑り出す直前なので、 最大静止摩擦力 です。この 2 力のつり合い より、 ......[ 答 ] ・・・@
(2) b がCで止まる直前に、パイプに鉛直方向に働く 力 は、 a から受ける 垂直抗力 と b から受ける 垂直抗力 です。 重心 と C との 距離 は です。 ・・・A @,Aより、 ∴ ......[ 答 ] ・・・B
・・・C 重心と D との 距離 は、
重心の周りの力のモーメントのつり合い より、
・・・D C,Dより、 分母を払うと、 整理してBを使うと、
∴ ......[ 答 ] ・・・E (4) EをBに代入すると、
∴ ......[ 答 ]
(5) さらに実験を続けて、 B が滑り出して E で止まったとします。このとき、 とすると、 重心と E との 距離 は、
(1) , (2) と同様に考えて、パイプに働く水平方向の力のつり合い の式と、重心の周りの力のモーメントのつり合い の式を立てると、パイプが a , b から受ける 垂直抗力 を , として、 ・・・F この式は、
・・・G と書き直すと、F,Gは、C,Dにおいて、 a と b を入れ替え、 , , としたものです。計算をしなくても、 となることがわかります。つまり、 2 支点間の 距離 , , ,・・・ は、公比 の 等比数列 になっていて、 より、プロセスを何度も繰り返していくと、 2 支点間の 距離 は、 0 に近づいていきます。 2 支点は、必ず重心の両側にあるので、最終的に 2 支点が重心に重なります。 支点 a と支点 b が代わる代わる一方が滑って他方が止まるということを繰り返し、両支点間の距離は、公比 の等比数列となって小さくなり、 より、 0 に近づいていく。最終的に、両支点は重心に来る。 ......[ 答 ] U (1) 小球 1 の 位置エネルギー の変化は、 ,小球 2 の 位置エネルギー の変化は、 この和が、パイプが 回転したときの 運動エネルギー になります。 パイプが 回転したときの、小球 1 と小球 2 の 速さ はそれぞれ、 , です ( 円運動の公式 より、 角速度 を ω として、 B の 速さ は ,小球 1 ,小球 2 の 速さ は , ,なお、 等速円運動 を参照 ) 。 力学的エネルギー保存 より、 整理して、
∴ ......[ 答 ] (2) 両辺を 2 乗して整理すると、
・・・H これより、 これと、 をHに代入すると、 整理して、
∴ のとき となって不適。 のとき、 ∴ , ......[ 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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