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第Ⅰ章
力学Ⅱ
発展例題20 振動する台上の物体の運動
発展問題 228 229
図のように、ばね定数んの軽いばねの下端を固定し,上端に質量Mの
水平な台Bを取りつけ,その上に質量の物体Aをのせた装置がある。
物体Aと台Bを,つりあいの位置を中心に鉛直方向に単振動をさせる。
このとき,物体Aが台Bからはなれることがないとすると,AとBは同
じ単振動をする。重力加速度の大きさを⑨として,次の各問に答えよ。
(1)装置全体がつりあいの状態にあるとき, 自然長からのばねの縮み
4はいくらか。
B
A
m
M
台Bとともに単振動をしている, 物体Aの加速度? はいくらか。 鉛直上向きを正,
Aのつりあいの位置からの変位をxとして, 加速度αをxの関数として表せ。
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(3)台Bが物体Aを押す力を, Aのつりあいの位置からの変位xの関数として表せ。
(4)台Bが最高点に達したとき,台Bが物体Aを押す力がちょうど0になったとする。
このときの単振動の振幅ro を, M, m,k,g を用いて表せ。
(5)台Bをつりあいの位置から2だけ押し下げ, 静かにはなすと, 物体Aは,つり
あいの位置からの変位がxのところで台Bからはなれた。 変位 x1, およびそのとき
の物体Aの速さを, M, m, k, g を用いてそれぞれ表せ
(京都産業大 改)
(1) 装置全体について, 力のつり
指針
あいの式を立てる。
(3) Aが受ける力は,図の
ように示される。 Aの運動
方程式を立てると,
A
B
mg
(2) A,Bが一体となって運動しているので, A
とBを一体とみなして運動方程式を立てる。
(3)(4) Aにはたらく力を考え, Aについての運
動方程式から、カナを求める。 (4)では、(3)の
結果を利用する。
(5)AがBからはなれるのは, f=0のときであ
る。また,単振動におけるエネルギー保存の法
則では,運動エネルギーと復元力による位置エ
ネルギーの和は一定である。 復元力による位置
エネルギーは, つりあいの位置からの変位xを
用いて, kx2/2 と表される。
ma=f-mg
f=m(g+a)
=m\g-
k
M+m
x
(4) このとき,Aは振動の端に達しており (3)
の式でx=ro のとき, f=0になったと考えら
れる。
0=m\g-M+m
k
ro=
M+m
k
g
(5)AがBからはなれるのは, f=0になるとき
である。 (4)の結果から, 変位 x1 は,
解説
(1) 装置全体
の力のつりあいから,
A kДl
A
k4l-(M+m)g=0
B
mg
M+m
Mg
Al=
g
k
(2) AとBを一体とみなす
と, 変位xのときに受ける
力は,図のように示される。
一体とした運動方程式を立
k(Al-x)
A
ta
B
mg
Mg
てると,
(M+m)a=k(Al-x)-(M+m)g
k4l-(M+m)g=0 を用いて, α = -
k
M+m
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x₁ ===
M+m
k
'g
はなれたときのA,Bの速さをひとする。 Bを
√2 だけ押し下げてはなした直後と AとB
がはなれるときとでは,AとBの単振動のエネ
ルギーの和は保存される。 単振動におけるエネ
ルギー保存の法則を用いると,
1/12k(√2r2=1/2/kx2+1/2/(M+m)o2
xとに値を代入して, vを求めると,
M+m
v=
g
k