物理
高校生
解決済み

この問題の(3)で何故(1)と違って静止した観測者から見たA,Bの加速度が違うのですか?

また、こう言った問題で「静止した観測者見る」か「ある加速度で移動する視点から見る」かどっちがいいのかその判断の仕方も教えて頂けると嬉しいです

DAFF 23. 〈滑車と物体の運動〉 次の設問では,糸および滑車の質量,ならびに物体の大きさは ないものとする。また,糸は伸び縮みしないものとし, 滑車はな めらかに回転できるものとする。 重力加速度の大きさをg として 次の設問に答えよ。 [A] 図1のように,質量mの物体Aと質量5mの物体Bを糸 1で結び, 滑車Pにつるす。 さらにこの滑車Pと物体Cを糸2 で結び, 天井から糸3でつるされた滑車 Q につるす。 (1) 物体A, 物体Bおよび物体Cを同時に静かにはなしたとき, 物体Aと物体Bは動きだしたが, 物体Cは静止したままであ った。物体の質量はいくらであったか。 数字ならびにm, gの中から必要なものを用いて答えよ。 〔B〕 次に、図2のように, 物体Aと物体Bを同じ高さに固定し, 図1の物体Cを糸2から取り外す。 その後。 糸2の右端を一定 の大きさFの力で鉛直下方に引くと同時に,物体Aと物体Bを 静かにはなすと, 滑車Pは上昇した。 物体の運動中に, 滑車ど うしの接触や物体と滑車の接触は起こらないものとする。 数字 ならびに m, g, F, dの中から必要なものを用いて次の設問に 答えよ。 3 運動の法則 滑車 Q 滑車 P、 糸 1 物体B 物体A- m 滑車 Q、 滑車 P 糸 1 物体B 物体Am (2) 物体Aと物体Bを静かにはなした後の, 糸1の張力の大き さはいくらか。 (3)物体Aと物体Bの高さの差がdになった瞬間の物体Aの速さはいくらか。 天井 糸 3 5m 図 1 天井 糸3 O 5m 図2 2 17 物体C 2 カF [19 九州工大 〕
ント 23 〈滑車と物体の運動〉 (3) 静止した観測者から見ると、物体Aと物体Bの加速度の大きさは異なるが, 滑車Pから見ると、同じ加速度の大きさ になる。 [A](1) 物体Aと物体Bの加速度の大きさをa,糸1の張力の 大きさを T, 糸2の張力の大きさをT' とおく。 図のよ うに,物体Aは鉛直上向きを, 物体Bは鉛直下向きを正に とって運動方程式を立てると Aについて ma = T-mg Bについて 5ma=5mg-T ...... ② また、物体Cの質量をMとおくと, 物体Cおよび滑車Pに はたらく力のつりあいの式はそれぞれ, 図bより Cについて T'=Mg Pについて T'=2T ① ② 式よりαを消去してTを求めると T= M= 2T 10 m = -m この結果と③ ④ 式より 〔B〕 (2) 糸1の張力の大きさをfとおき, 滑車Pの加速度の大き さをap とおく。 滑車Pにはたらく力は図cのようになり, 滑車Pの質量はないものとするので, 運動方程式は F*A 0xap = F-2f よって f=m (3) 滑車Pから見ると, 物体Aと物体Bは, 加速 度の大きさは等しく, 物体Aは鉛直上方に, 物体Bは鉛直下方に運動する。 滑車Pは鉛直 上方に加速度運動するので,図 dのように物 体Aと物体Bには鉛直下向きに慣性力がはた らいてみえる。 (1)と同様に正の向きをとり, 物体Aと物体Bの加速度の大きさを α とお いて運動方程式を立てると Aについて ma'=f-mg-mar Bについて 5ma'=5mg+5map-f これら2式から ap を消去し, (2) の結果を用いて α' を求めると 10ma'=4f よって α'= 2f= F 5m 5m F 2m ゆえに, 求める速さは at= g3 r=1/3mg F 2m --g a't mg A map 5md *C- F at IA apt 25mg T T B 図 d mg Ma 図 a F 図 c この加速度の大きさで物体Aと物体Bはそれぞれ 01/2ずつ動けばよいので 動き始めてからかかる時間をt とおくと 1/a²t²=2 よって, ⑥ 式より t=, 5md F 一方、静止した観測者から見た物体Aの加速度を α とおくと※B a'′=aa-ap よって、物体Aの加速度は⑤式と (2)の結果を用いて aA=a'+ap=—-g=- g B 5mg La 25mar T' P T 図 b aA ←A F=2f となるが, 滑車Pは加速度 0 ではないこ とに注意する。 ap= B 求めるのは滑車Pか ら見た速さではなく, 静止し た観測者から見た速さである ことに注意する。 ←C 別解 慣性力を用いず, 静止系の運動方程式から解く こともできる。 物体Aの加速度を鉛直上向き に αA, 物体Bの加速度を鉛 直下向きに αB とおく。 運動 方程式は T' A: max=f-mg B:5maB=5mg-f これに加え,鉛直上向きに加 速度 αP で運動する滑車Pか ら見たAとBの相対加速度の 大きさが等しく向きが逆向き となることから aa-ap=ab-(-ap) が成りたつ。この3式より Mg F 2m --9, 3F 10m g であり, ⑥式のα' も F a'=as-ap= 5m と求められる。

回答

✨ ベストアンサー ✨

滑車Pと一緒に動く観測者から見ると、AとBの加速度の大きさは一緒ですね?ただし、加速度の向きが違います。問題の場合、Aは上向きを正、Bは下向きを正として設定しています。さて、静止した観測者から見た場合の加速度を求めるには滑車Pの加速度を合成します。このとき、向きが違うため、
aA=a’+aP
aB=a’-aP
となり、aA≠aBです。

>>こう言った問題で「静止した観測者見る」か「ある加速度で移動する視点から見る」かどっちがいいのか
個人的な感覚ですが、相対的な位置などが関わる場合は一緒に動いた方が想像しやすいのではないかと思います。この問題ではPと一緒に動けば、AとBの加速度の大きさが等しいため、Aが動いた距離分Bが動く→d/2=(at^2)/2としてtを求めることができます。

ますっぺ

返信遅くなってしまいすいません。
とても分かりやすいです!ありがとうございます

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