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コンテスト/Gnit Sunday Open 002 (GSO002)/第13問 星のワット・ガバナー:回転系における非線形微小振動の解析
第13問

星のワット・ガバナー:回転系における非線形微小振動の解析

終了
400 ptsLv.7 中級力学
2026/03/22 19:30〜2026/03/22 21:00
作成者:admin

問題文

ある惑星の重力加速度の大きさを ggg とする。 鉛直方向に固定された細い回転軸がある。この回転軸上の点Oには滑らかなヒンジがあり、そこから長さ lll の質量が無視できる剛体棒が2本、それぞれ質点とみなせる小球A, B(ともに質量 mmm)につながれている。 さらに、小球A, Bから長さ lll の質量が無視できる剛体棒がそれぞれ伸びており、それらの他端は共通の滑らかなヒンジでスリーブC(質点とみなし、質量を MMM とする)につながれている。

スリーブCは回転軸上を摩擦なく上下に滑ることができる。小球A, Bは常に回転軸を挟んで対称な位置にある。点O, A, C, Bを頂点とする四角形は常にひし形をなし、これら4点は回転軸を含む同一平面内にあり、その平面ごと回転軸のまわりを回転する。

今、装置全体を回転軸のまわりに一定の角速度 ω\omegaω で強制的に回転させ続けたところ、スリーブCは点Oから一定の距離 z0z_0z0​ の位置で回転系から見て静止した(これを定常状態と呼ぶ)。このとき、各棒が回転軸となす角を θ0\theta_0θ0​ (0<θ0<π/20 < \theta_0 < \pi/20<θ0​<π/2) とする。

その後、回転系においてスリーブCに鉛直方向の微小な変位を与え、静かに手を放したところ、スリーブCは定常位置を中心に微小振動を行った。 この微小振動の周期 TTT を求めよ。 なお、空気抵抗や各ヒンジの摩擦は一切無視できるものとする。

制約

  • 重力加速度の大きさ: g=12 m/s2g = 12 \text{ m/s}^2g=12 m/s2
  • 小球A, Bの質量: m=4 kgm = 4 \text{ kg}m=4 kg
  • スリーブCの質量: M=3 kgM = 3 \text{ kg}M=3 kg
  • 剛体棒の長さ: l=1.4 ml = 1.4 \text{ m}l=1.4 m
  • 回転の角速度: ω=5 rad/s\omega = 5 \text{ rad/s}ω=5 rad/s

入力形式

微小振動の周期 TTT は、互いに素な自然数 A,BA, BA,B を用いて T=ABπ [s]T = \frac{A}{B}\pi \text{ [s]}T=BA​π [s] と表せる。 100A+B100A + B100A+B の値を求め、自然数で回答せよ。

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