平面上の運動 x(t)=(x(t),y(t)) に対して
速度 v は 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
加速度 a は a(t)=(x′′(t),y′′(t))
その大きさは ∣a∣(t)=∣a(t)∣=(x′′(t))2+(y′′(t))2
また, 半径 R の円運動 x(t)=R(cos(θ(t)),sin(θ(t))) に対して
角速度 ω は ω(t)=θ′(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 とおく.
(i) t が 0 から 2 まで動くとき, θ(t) は 0 から π まで連続的に動くことに注意して, r(t) の軌跡を描く.
(ii) (iii) (iv) 計算する.
(v) 計算する. ヒントのように e1(t)=(cos(θ(t)),sin(θ(t))), e2(t)=(−sin(θ(t)),cos(θ(t))) とおくと, (iv) の結果より a(t)=πe2(t)−((π2t2)/2)e1(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) 計算する. r(1), v(1), a(1) を e1(1), e2(1) を用いて表すと図示しやすい. e1(1) は中心から見て r(1) の方向, e2(1) は e1(1) を正の向きに π/2 回転させた方向(したがって円運動の接線方向), −e1(1) は円運動の中心方向であることに注意する.
(vii) 計算する. 問題文の v2/R は v2/2 の誤記.
(viii) 運動方程式 ma(t)=F(t) について m=3 として F(t)=(Fx(t),Fy(t)) を求める. ∣F(t)∣=(Fx(t))2+(Fy(t))2 を計算してグラフを描く. ∣F(t)∣=∣3a(t)∣=3∣a(t)∣ と (v) を用いると ∣F(t)∣ を簡単に計算できる.
(ix) 重力加速度を g 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).
が成り立つ. t=2 で ∣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 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.