GWCB012 問題5
問題文
ばねに接続された物体の運動と力学的エネルギー保存
問題文
なめらかで水平な床の上に、質量 m の小物体が置かれている。小物体は一端が壁に固定されたばね定数 k の軽いばねの他端に接続されている。ばねが自然長の状態にある小物体のおもりの位置を原点 x=0 とし、ばねの伸びる向きを x 軸の正の向きとする。
時刻 t=0 において、小物体を原点 x=0 から x 軸の正の向きに位置 x=d まで引き伸ばし、初速 0 で静かに放した。小物体は水平床上を往復運動(単振動)する。小物体が原点 x=0 を通過するときの速さ v を求める。ただし、床と小物体の間の摩擦および空気抵抗は無視できるものとする。
制約
- m=0.50 kg
- k=32 N/m
- d=0.15 m
入力形式
小物体が原点 x=0 を通過するときの速さ v [m/s] は、以下の形式で分数(既約分数)として表される。
v=qp
ここで、p,q は互いに素な自然数(正の整数)である。値 p+q の和をそのまま入力せよ。
解説
解説
物理現象の整理と使用法則
本問では、水平な床と小物体の間に摩擦がはたらず、空気抵抗も無視できるため、小物体とばねからなる系には保存力であるばねの弾性力のみが仕事をします。したがって、小物体の運動において力学的エネルギー保存則が成立します。
力学的エネルギー保存則の立式
ばねの自然長の位置 x=0 を基準とし、小物体の運動エネルギーとばねの弾性エネルギーの和を考えます。
-
初期状態(x=d、静止)
- 運動エネルギー:K1=0
- 弾性エネルギー:U1=21kd2
- 全力学的エネルギー:E1=21kd2
-
原点通過時(x=0、速さ v)
- 運動エネルギー:K2=21mv2
- 弾性エネルギー:U2=0
- 全力学的エネルギー:E2=21mv2
力学的エネルギー保存則 E1=E2 より、次の式が得られます。
21kd2=21mv2
速さ v の導出と数値計算
上式を v について解くと、速さ v は次のように求められます。
v=dmk
制約で与えられた具体数値を代入します。
- m=0.50 kg
- k=32 N/m
- d=0.15 m=203 m
根号内の計算を行います。
mk=0.5032=64=8 s−1
したがって、速さ v は次のように計算されます。
v=0.15×8=1.2 m/s
これを既約分数 qp の形に変換します。
v=1.2=1012=56
分母 q=5 と分子 p=6 は互いに素な自然数です。
求められている値 p+q を計算します。
p+q=6+5=11
したがって、入力すべき自然数は 11 です。