解決済み

この問題、何から何までほんとに分かりません。

考え方、答えだけでもいいので教えてください🙏🏻‎

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平面上の運動 x(t)=(x(t),y(t))\vec{x}(t) = (x(t),y(t)) に対して

速度 vvv(t)=(x(t),y(t))\vec{v}(t) = (x'(t),y'(t))

その大きさ, または速さは v(t)=v(t)=(x(t))2+(y(t))2|\vec{v}|(t) = |\vec{v}(t)| = \sqrt{(x'(t))^2+(y'(t))^2}

加速度 aaa(t)=(x(t),y(t))\vec{a}(t) = (x''(t),y''(t))

その大きさは a(t)=a(t)=(x(t))2+(y(t))2|\vec{a}|(t) = |\vec{a}(t)| = \sqrt{(x''(t))^2+(y''(t))^2}

また, 半径 RR の円運動 x(t)=R(cos(θ(t)),sin(θ(t)))\vec{x}(t) = R(\cos(\theta(t)),\sin(\theta(t))) に対して

角速度 ω\omegaω(t)=θ(t)\omega(t) = \theta'(t)

以上をふまえた上での説明. 見やすさの都合で θ(t)=(πt2)/4\theta(t) = (\pi t^2)/4 とおく.


(i\rm{i}) tt00 から 22 まで動くとき, θ(t)\theta(t)00 から π\pi まで連続的に動くことに注意して, r(t)\vec{r}(t) の軌跡を描く.


(ii\rm{ii}) (iii\rm{iii}) (iv\rm{iv}) 計算する.


(v\rm{v}) 計算する. ヒントのように e1(t)=(cos(θ(t)),sin(θ(t)))\vec{e}_1(t) = (\cos(\theta(t)),\sin(\theta(t))), e2(t)=(sin(θ(t)),cos(θ(t)))\vec{e}_2(t) = (-\sin(\theta(t)), \cos(\theta(t))) とおくと, (iv\rm{iv}) の結果より a(t)=πe2(t)((π2t2)/2)e1(t)\vec{a}(t) = \pi \vec{e}_2(t) - ((\pi^2 t^2)/2) \vec{e}_1(t) となり, 内積の関係を用いると計算がすこし簡単になる.


(vi\rm{vi}) 計算する. r(1)\vec{r}(1), v(1)\vec{v}(1), a(1)\vec{a}(1)e1(1)\vec{e}_1(1), e2(1)\vec{e}_2(1) を用いて表すと図示しやすい. e1(1)\vec{e}_1(1) は中心から見て r(1)\vec{r}(1) の方向, e2(1)\vec{e}_2(1)e1(1)\vec{e}_1(1) を正の向きに π/2\pi/2 回転させた方向(したがって円運動の接線方向), e1(1)-\vec{e}_1(1) は円運動の中心方向であることに注意する.


(vii\rm{vii}) 計算する. 問題文の v2/Rv^2/Rv2/2v^2/2 の誤記.


(viii\rm{viii}) 運動方程式 ma(t)=F(t)m\vec{a}(t) = \vec{F}(t) について m=3m = 3 として F(t)=(Fx(t),Fy(t))\vec{F}(t) = (\vec{F}_x(t), \vec{F}_y(t)) を求める. F(t)=(Fx(t))2+(Fy(t))2|\vec{F}(t)| = \sqrt{(\vec{F}_x(t))^2 + (\vec{F}_y(t))^2} を計算してグラフを描く. F(t)=3a(t)=3a(t)|\vec{F}(t)| = |3\vec{a}(t)| = 3|\vec{a}(t)| と (v\rm{v}) を用いると F(t)|\vec{F}(t)| を簡単に計算できる.


(ix\rm{ix}) 重力加速度を gg とする. 滑ることなく走り切ったことから, 車が地面から受けた摩擦力は最大静止摩擦力以下である, すなわち

F(t)μ(3g).|\vec{F}(t)| \leq \mu (3g).

が成り立つ. t=2t = 2F(t)|\vec{F}(t)| が最大値をとることに注意して, この式をつねに満たすような μ\mu の下限を求める.


といった感じだと思うのであとは計算してください.

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