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コンテスト/Gnit Weekly Challenge Advanced 004 (GWCA004)/第3問 振り子運動と台の可動による完全非弾性衝突
第3問

振り子運動と台の可動による完全非弾性衝突

終了
346 ptsLv.7 中級力学
2026/09/30 21:00〜2026/09/30 22:00
作成者:admin02

問題文

滑らかな水平床面上に質量 MMM の台が置かれており、その上面には質量が無視できる長さ LLL の軽くて伸びない糸が取り付けられている。糸の他端には質量 mmm の小球 A が取り付けられており、小球 A は台とともに運動できる。台の上面における糸の固定点を点 O とする。

点 O から鉛直下向きに距離 LLL だけ離れた位置は、小球 A の鉛直下方の最下点に対応する。この最下点において、台の上面には質量 mmm の小物体 B が静止して置かれている。

最初、台を水平床面上に固定した状態で、糸をたるませずに水平位置(角度 90∘90^\circ90∘)まで引き上げ、小球 A を静かに放した。小球 A は最下点に向かって円運動し、最下点に達した直前に、台の固定を解除して水平床面上を滑らかに運動できるようにした。小球 A は最下点において小物体 B と正面衝突し、直後に小球 A と小物体 B は一体となった。

衝突後、一体となった物体(質量 2m2m2m)は台の上を離れずに運動し、糸が鉛直線となす角が最大値 θmax\theta_{\text{max}}θmax​ に達した。

水平床面および台の上面と小球 A、小物体 B との間の摩擦、ならびに空気抵抗はすべて無視できるものとする。また、重力加速度の大きさを ggg とする。

cos⁡θmax\cos\theta_{\text{max}}cosθmax​ の値は既約分数 pq\frac{p}{q}qp​ (p,qp, qp,q は互いに素な自然数)で表される。p+qp+qp+q の値を求めよ。

制約

  • m=0.20 kgm = 0.20 \text{ kg}m=0.20 kg
  • M=0.60 kgM = 0.60 \text{ kg}M=0.60 kg
  • L=0.80 mL = 0.80 \text{ m}L=0.80 m
  • g=9.8 m/s2g = 9.8 \text{ m/s}^2g=9.8 m/s2

入力形式

cos⁡θmax\cos\theta_{\text{max}}cosθmax​ を既約分数 pq\frac{p}{q}qp​ で表したときの分子と分母の和 p+qp+qp+q の自然数値。

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