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支点の動く振り子の運動 図1のように,
レールの上を水平に移動できる質量 M の台車に質
L
台車M
m
S
・釘・
ABS
O
レール
mの小球が長さLの軽い糸でつるされており,
鉛直下向きに重力がはたらいている。 重力加速度
の大きさをgとする。糸は伸び縮みせず,また, 台
車とレールの摩擦は無視できるものとする。台車
重心は支点Sにあるものとする。 はじめに,台
車と小球は静止しており,糸は図1のように大き
さの無視できる固定された釘によりレールを含む鉛直面内で曲げられている。このと
糸は台車の支点Sから釘までは鉛直で, 釘から小球までは鉛直に対して角度と
なっている。支点S から釘までの距離を1Lとする。
図 1
次の(1)~(5)の ( )に適する式を入れよ。 ただし, (a) (b)はM,m,L,g,δの中
から,(c)~(g), (j)は M,m, L, g, vの中から, (h), (i)は M,m, L,g,v, 0 の中
から必要なものを用いて表せ。 また, v は (a)で求めた小球の速さを表すものとする。
(1) 小球を静かに放すと, 小球は右側に動き始め, 小球が最下点に達したのち, 台車
も動き出した。 小球が最下点に達した直後の小球の速さは( a ),糸の張力の大
きさは(b)である。
(2) その後、 図2のように小球は最下点からさらに
台車 M
右側に振れ、 鉛直からの振れ角0 が最大となった。 レール
このときの台車の速さはc) 振れ角の余弦
cosは(d)である。
Jo
その後、小球の振れ角は減少し,再び小球が最
下点に達した。このときの台車の速さは(e),
小球の速さは(f)である。
(4) その後,糸は再び釘に触れることなく,台車と
om
図2
小球は運動を続けた。 このときの台車と小球からなる物体系の重心の水平方向の速
ヒント 282(2) 物体系には外力ははたらかないので, 2物体の重心は一定の速度で動く。
(7)2物体の重心が等速度運動をすることと, 小球が台に対して単振動をすることを利用