東大物理 '21 年前期 [1] 図 1-1 に示すようなブランコの運動について考えてみよう。ブランコの支点を O とする。ブランコに乗っている人を質量 m の質点とみなし、質点 P と呼ぶことにする。支点 O から水平な地面におろした垂線の足を G とする。ブランコの長さ OP を ,支点 O の高さ OG を とする。ブランコの振れ角 を θ とし、 θ は OG を基準に反時計回りを正にとる。重力加速度の大きさを とする。また、ブランコは紙面内のみでたわむことなく運動するものとし、ブランコの質量や摩擦、空気抵抗は無視する。 T 以下の文章の ア 〜 ウ にあてはまる式を、それぞれ直後の括弧内の文字を用いて表せ。
U ブランコに二人が乗った場合を考えよう。質量 の質点 A と、質量 の質点 B を考える。図 1-2 に示すように、初期状態では A と B が合わさって質点 P をなしているとし、質点 P が から静かに運動を始めたとする。 において A はブランコを飛び降り、速さ で水平に運動を始めた。一方、 A が飛び降りたことにより、 B を乗せたブランコは でそのまま静止した。その後 A は に着地した。
(1) A が飛び降りる直前の質点 P の速さを として、 を , , を用いて表せ。
V ブランコをこぐことを考えよう。ブランコに乗った人が運動の途中で立ち上がったりしゃがみこんだりすることで、ブランコの振れ幅が変化していく。
まず図 1-3 に示すように、人がブランコで一度だけ立ち上がることを以下のように考える。質量 m の質点 P が ( ) から静かに運動を始めた。次に角度 において人が立ち上がったことにより、 OP の長さが から へと瞬時に変化したとする ( ) 。 OP の長さが変化する直前の P の速さを v とし、直後の速さを とする。その後、 OP の長さが のまま P は運動を続け、角度 ( ) で静止した。ただし以下では、ブランコの振れ角 θ は常に十分小さいとして、 と近似できることを用いよ。 OP の長さが変化する前後に関して以下のように考えることができる。長さ OP の変化が十分速ければ、瞬間的に OP 方向の強い力が働いたと考えられる。 O を中心とした座標系で考えると、この力は中心力なので、面積速度が長さ OP の変化の前後で一定であるとしてよい。つまり、 が成り立つ。
(3) を最大にする と、その時の を , , を用いて表せ。 次に、人が何度も立ち上がったりしゃがみこんだりしてブランコをこぐことを、以下のようなサイクルとして考えてみよう。 n 回目のサイクル ( ) を次のように定義する。 「 で静止した質点 P が OP の長さ で静かに運動を開始する。 において立ち上がり OP の長さが から へと瞬時に変化する。質点 P は OP の長さ のまま角度 で静止した後、逆向きに運動を始め、角度 で再び静止する。このとき、 でしゃがみこみ、 OP の長さは から再び へと瞬時に変化する。」 1 回目のサイクルを始める前、質点 P は ( ) にあり、 OP の長さは だった。その後、サイクル を開始し、以下順次 , ,・・・と運動を続けていくものとする。 (4) n 回目のサイクルの後のブランコの角度 を、 , , , n を用いて表せ。
(5) のとき、 N 回目のサイクルの後に、初めて となった。 N を求めよ。ただし、 ,および であることを用いてもよい。 【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 立ったり座ったりするうちにブランコの振れ幅がだんだん大きくなることを考察しよう、という問題です。問題文中にヒント ( 答も? ) が書かれているので、問題文をよく確認しながら進めましょう。 T ( ア ) 図 1-1 で、支点 O と運動開始時点の質点 P の高さの差は、 です。質点 P の力学的エネルギーは 位置エネルギー のみで、点 P の方が下なので、 ......[ 答 ] ( イ ) 角度 θ における力学的エネルギーは、 運動エネルギー が ,位置エネルギーが ,よって、 ......[ 答 ] ∴ ......[ 答 ] ∴ ......[ 答 ]
(2) A が飛び降りてから に着地するまでの時間を t とすると、鉛直方向は 自由落下 で、 ∴ 水平方向は等速運動で、 ・・・@ 解答は を使わずに答えるので、 を求めておく必要があります。運動開始時点と A が飛び降りる直前との 力学的エネルギー保存 より、 ∴ @に代入して、
.......[ 答 ] 数値代入すると、
......[ 答 ] V (1) 人が立ち上がった直後 ( ,位置エネルギーは ) と角度 で静止 ( 運動エネルギーは 0) した時点との 力学的エネルギー保存 より、 ( 問題文の近似を利用 ) ∴ ......[ 答 ] ・・・A
(2) 問題文の 面積速度 一定より、 ∴ ・・・B これと、A,Bより、
......[ 答 ]
(3) (2) の結果で、 より、 ,従って、 を最大とする は、 ......[ 答 ] ,そのときの は、 ......[ 答 ]
(4) n 回目のサイクルでは において立ち上がるので、 (3) で を最大とする状況であり ( というか、 (3) の答を暗に教えてくれている? ) 、 (3) の結果を使って考えることができます。 (3) の結果で、 ,また、 として、 (5) , (4) の結果で として、 より、 ∴ よって、 ......[ 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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