水平な実験台の上に、2本の一様な細い剛体棒を直列に連結した小振動実験装置がある。
第1の棒を OA、第2の棒を AB とする。2本の棒の長さはいずれも ℓ、質量はそれぞれ m1,m2 とする。
点 O は実験台に固定されており、第1の棒は O を通り実験台に垂直な回転軸のまわりを自由に回転できる。点 A では2本の棒が摩擦のない回転軸によって連結されており、第1の棒と第2の棒は互いに自由に回転できる。棒は実験台に平行な水平面内だけを運動するため、重力による位置エネルギーの変化は考えなくてよい。
実験台上に xy 座標をとり、点 O を原点とする。平衡状態では、O,A,B はこの順に x 軸正方向へ一直線上に並んでいる。
第1の棒上で、点 O から距離 a の位置に点 P をとる。点 P には、ばね定数 k1、自然長 L1 の軽い線形ばね1の一端を取り付け、他端を実験台上の固定点 C に取り付ける。平衡状態では、点 C は点 P から y 軸正方向へ距離 L1 だけ離れており、ばね1は自然長である。
また、第2の棒の端点 B には、ばね定数 k2、自然長 L2 の軽い線形ばね2の一端を取り付け、他端を実験台上の固定点 D に取り付ける。平衡状態では、点 D は点 B から y 軸正方向へ距離 L2 だけ離れており、ばね2も自然長である。
両ばねの端部は自由に回転できるよう取り付けられており、ばねはその両端を結ぶ方向にのみ力を及ぼすものとする。考える範囲では、両ばねは引張・圧縮のいずれに対してもフックの法則に従う。
棒、ばね、回転軸どうしは互いに干渉せず、回転軸の摩擦、空気抵抗、ばねの質量は無視できるものとする。
第1の棒が x 軸となす角を θ1、第2の棒が x 軸となす角を θ2 とし、いずれも反時計回りを正とする。θ2 は第1の棒に対する相対角ではなく、x 軸から測った第2の棒の絶対角である。
平衡状態
θ1=θ2=0の近くで小振動を考える。θi および θ˙i を同程度の微小量とみなし、ラグランジアンについてこれらの2次までの項を残し、3次以上の項を無視する。
ラグランジュ方程式から得られる2つの固有角振動数を ω−<ω+ とする。
無次元比
ω−2ω+2を求める。
これを
sp+qrと表す。ただし p,q,r,s は正の整数、r は平方因子をもたず、
gcd(p,q,s)=1とする。
p+q+r+s を自然数で入力せよ。
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