mg
発展例題19 円錐容器内の運動
の内
z軸を中心軸とする頂角20の円錐状の容器がある。容器の内
側に質量mの小球があり、容器の底にある小さな穴を通して,質
量Mのおもりと糸で結ばれている。 小球は,穴から円錐の側面に
沿って距離L の位置を保ち、容器内のなめらかな斜面上を速さ vo
で等速円運動しており、おもりは静止している。 糸と容器との間
に摩擦はなく,重力加速度の大きさをgとする。 小球の速さを
m, M, L, 0, g を用いて表せ。
9
指針 小球とともに回転する観測者には,
距離Lが一定なので,小球は,重力,糸の張力,
垂直抗力,遠心力を受けて, 力がつりあって静止
しているように見える。 円錐の側面に沿った方向
の力のつりあいの式を立てる。 なお,静止した観
測者には,小球は重力,糸の張力,垂直抗力を受
けて,等速円運動をするように見える。
解説
小球とともに回転する観測者を基準
に考えると,小球には図のような力がはたらく。
糸の張力は, おもりが受ける力
いから,
m
202
L sine
-mg cose-Mg=0
(筑波大改) (1)
Mg である。円運動の半径 垂直抗力
はLsin0 なので,遠心力
の大きさはmv²/ (Lsine)
となる。 円錐の側面に沿っ
た方向の力のつりあいから, Mg
sine
10
Vo=.
発展問題211, 20
L (M+m cos0) g
m
COLLINEN
ZA
0
my
m.
OM
Vo
L sine
2
m
mg
mg cost
V₁
L sin
2
ヒ
211
212