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コンテスト/Gnit Sunday Open 004 (GSO004)/第8問 重力場中における相対単振動と融合
第8問

重力場中における相対単振動と融合

終了
500 ptsLv.8 中級力学
2026/04/19 19:30〜2026/04/19 21:00
作成者:admin

問題文

鉛直上向きを yyy 軸の正の向きとし、地面を y=0y=0y=0 とする。重力加速度の大きさを ggg とする。空気抵抗は無視できるものとする。

時刻 t=0t=0t=0 に、 y=Hy=Hy=H の位置から質量 MMM の小球Aを静かに落下させた。小球Aの下部には、質量が無視できるばね定数 kkk、自然長 lll のばねの上端が固定されており、ばねは鉛直下向きに垂れ下がっている。ばねの下端には、質量が無視できる極めて軽い接着部がついている。

同時に(時刻 t=0t=0t=0 に)、地面(y=0y=0y=0)から質量 mmm の小球Bを鉛直上向きに初速 v0v_0v0​ で打ち上げた。

時刻 t=t1t=t_1t=t1​ に、小球Bはばねの下端の接着部に到達し、その瞬間に完全に接着して一体となった。小球Bが接着した瞬間、ばねの長さはちょうど自然長 lll であったとする。また、接着部の質量はゼロであるため、接着の前後で小球Bの速度は変化しないものとする。

その後、小球Bはばねを圧縮しながら小球Aとの相対距離を縮めていき、小球Aと小球Bはばねを介して一体の系として運動する。やがて時刻 t=t2t=t_2t=t2​ において、接着後初めてばねが最も縮んだ状態となった。

ばねが最も縮んだときの、ばねの自然長からの縮み量を ddd とし、その瞬間(時刻 t=t2t=t_2t=t2​)における小球Aの yyy 座標を hAh_AhA​ とする。

ばねが最も縮む前に小球Aと小球Bが直接衝突することはなく、また系が地面に落下する前に一連の運動は完結するものとして、以下の入力形式に従って解答せよ。

制約

  • 小球Aの質量: M=4.0 kgM = 4.0 \text{ kg}M=4.0 kg
  • 小球Bの質量: m=1.0 kgm = 1.0 \text{ kg}m=1.0 kg
  • ばね定数: k=2000 N/mk = 2000 \text{ N/m}k=2000 N/m
  • ばねの自然長: l=1.0 ml = 1.0 \text{ m}l=1.0 m
  • 小球Aの初期高さ: H=11.0 mH = 11.0 \text{ m}H=11.0 m
  • 小球Bの初速: v0=10 m/sv_0 = 10 \text{ m/s}v0​=10 m/s
  • 重力加速度の大きさ: g=9.8 m/s2g = 9.8 \text{ m/s}^2g=9.8 m/s2
  • 円周率: π\piπ とする。

入力形式

ばねの縮み量 ddd を m\text{m}m 単位で求め、その値を10倍した値を XXX とする。 また、小球Aの高さ hAh_AhA​ を m\text{m}m 単位で求めると、その値は有限小数 α,β,γ\alpha, \beta, \gammaα,β,γ を用いて以下のように表される。

hA=α−βπ−γπ2h_A = \alpha - \beta \pi - \gamma \pi^2hA​=α−βπ−γπ2

ここで、Y=100α+1000β+100000γY = 100\alpha + 1000\beta + 100000\gammaY=100α+1000β+100000γ とする。

最終的な解答として、X×YX \times YX×Y の値を計算し、自然数で答えよ。

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