物理
高校生
解決済み

(5)で浮上を始める温度だったらF<fにして計算すると思ったんですけどなぜF=fでするんですか?
F=fだったら釣り合って浮上しないんじゃないでしょうか?

(1)pが一定の場合,Tの増加とともに空気のpはどのよ かれ静止している。球体の体積はVである。また. 球体は断熱性が高 い素材でつくられ,常に球形を保ち、変形しないものとする。初め球 体内には空気が入っており、開口部は開放する。空気の質量を除いた 気球の質量はM (kg] である。球体内には小さな温度調整器があり, 球体内の空気の温度を調節できるようになっている。 球体 V M 開口部一ゴンドラ
PU 0っ A 空気を除いた気球にはたらく重力の大きさは、重力加速度の大きさをg[m/s°] とする と、Mg [N] である。また, 球体内の空気の温度がTのとき, 空気の質量は pV [kg] であ る。球体内の空気にはたらく重力の大きさは、1V. To. po, T, g を用いて オ×g[N] と表すことができる。よって、空気を含む気球にはたらく重力の大きさF[N] は, F=(M+)×g で与えられる。一方,空気中に置かれた球体は, 球体外のまわりの空気 から鉛直上向きに押し上げる力, すなわち, 浮力を受ける。 簡単のため, 球体外のまわり の空気の密度を po とすると,その浮力の大きさf[N]は球体内の空気と同じ体積をもつ 球体外の空気にはたらく重力と同じ大きさで,f=カ×g で与えられる。いま, Tが Fと子の一致する温度 T, [K] をこえると,気球が上昇し始めた。 a(3) 横軸に球体内の空気の温度 T, 縦軸にFをとって, グラフの概形をかけ。 ○(4) 球体内の空気の温度に対するFと子の関係から, 気球が浮上する理由を説明せよ。 (5) 気球が浮上を始める温度 T,をV, M, To, poを用いて表せ。 [16 大阪工大)
度が上昇すると,さらにFが小さくなり, F<f となるので, 気球にはた らく力の合力は上向きになり, 気球は上向きに加速度運動をする。 (5) T=T, のとき, F=f となるので, ①, ②式より Tooo Vg Ty = 00V@ よって T=_oV PoV-M Mg+ -To [K] L 0ロT

回答

✨ ベストアンサー ✨

運動方程式から分かるように、力は加速度と関係します。

よって、力のつり合いが成立する場合、加速度は0となりますが、
それは、速度が0となって運動しないことと等価ではありません。
この状態では、何らかの要因で速度が与えられれば、
それが減衰することはなく、等速運動が生じます。

世界には揺らぎが存在しており、揺らぎによって気球が何らかの速度を持った場合、
F=fの状態であれば、その速度で運動が継続するため、
力のつり合い状態を、運動の開始するタイミングと考えます。

かすみ

F=fになるまでに力が働き続けているので、F=fになってからは一定の速度で動き続けるということですか?

peekAboo

F=fになるまでに働いている力は無関係です。

F=fという条件が気球を地面に固定するためには、弱いと理解してください。

気球に働く合力をFa, 質量をm, 加速度をa、速度をvとすると(鉛直上向きが正)、
運動方程式よりFa=maとなります。
よって、Fa=0(f=F)が与える状態は、a=0となります。
しかし、実際の静止条件はv=0であるため、
f=Fは静止条件とは一致しません。

勿論、気球は最初に地上にあるため、初速度は0であり、
温度を徐々に上げていく過程では、正の加速度が作用しないので、
f=Fとなった段階では、計算上はv=0となります。

しかし、この状態は不安定であり、
熱揺らぎ等の揺らぎによって、容易に運動が開始するため、
運動の開始点とみなしても構いません。

そもそも、物理ではa<x, とa<=xの違いにあまり大きな意味はないと思います。
この違いを考えるには、lim(h->0) a+hの極限を考える必要がありますが、
数学とは違い、物理では各物理量を構成している因子が存在しているため、
無限に細かく分割することはできません
(そもそも小さな世界では物理法則が変化します(量子力学))。

つまり、古典物理(高校で習う力学など)の範囲では、
h->0の極限は厳密に取り扱うことができないため、
a<xとa<=xの違いは、ほとんど意味がありません。

かすみ

何度もありがとうございます。
すっきりしました。

peekAboo

どういたしまして!

ご理解いただけたようでよかったです。
引き続き、学習を頑張ってください!

かすみ

温かいお言葉ありがとうございます(^^)
頑張ります!

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