解決済み
ishiryo

芝浦工業大学、2021年全学統一試験の物理です。

解答を見つけられなかったため、どなたかに解いていただきたいです。

私の解いた答えは以下の通りです。(多分だいぶ間違っています。)

(1.1)√2gH

(1.2)2mgH/r

(1.A) f

(1.B) e

(1.C) a

(1.3) (2R+3)/2R

(1.4) √2gs(1-cosφ)

(1.5) mg(3cosφ-2)

(1.D) e

(1.E) b,c,e

回答 1件

ベストアンサー

sHlcNRe46

以下、重力による位置エネルギーは最下点を基準とする。


力学的エネルギー保存則により、点 C\mathrm{C} における速さ vv は

12mv2=mgH  ⟺  v=2gH\dfrac{1}{2}mv^2=mgH \iff v=\sqrt{2gH}

である。このとき、向心力の大きさは

mv2r=2mgHrm\dfrac{v^2}{r}=\dfrac{2mgH}{r}

であり、垂直抗力の大きさ N1N_1 は

N1−mg=2mgHr  ⟺  N1=mg(2Hr+1)[f]N_1-mg=\dfrac{2mgH}{r} \iff N_1=mg\left(\dfrac{2H}{r}+1\right) \quad [\mathrm{f}]

となる。


続いて、円 O2\mathrm{O_2} での運動を考える。

力学的エネルギー保存則により、点 P\mathrm{P} における速さ vPv_P は

12mvP2+mgR(1−cos⁡θ)=mgH  ⟺  vP=2g(H−R+Rcos⁡θ)[e]\dfrac{1}{2}mv_\mathrm{P}^2+mgR(1-\cos\theta)=mgH \iff v_\mathrm{P}=\sqrt{2g(H-R+R\cos\theta)} \quad [\mathrm{e}]

である(どの瞬間においても常に保存されているので、最初と比較するのが計算が楽になることが多くておすすめです)から、先ほどと同様に円運動の運動方程式を考えると、

mvP2R=N−mgcos⁡θ  ⟺  N=mg(2HR−2+3cos⁡θ)[a]m\dfrac{v_\mathrm{P}^2}{R}=N-mg\cos\theta \iff N=mg\left(\dfrac{2H}{R}-2+3\cos\theta\right) \quad [\mathrm{a}]

となって垂直抗力の大きさ NN が得られる。


したがって、小球が 11 周するための条件は、0≦θ≦2π0\leqq\theta\leqq 2\pi の範囲のいかなる θ\theta に対しても N≧0  ⟺  2HR≧2−3cos⁡θN\geqq 0 \iff \dfrac{2H}{R}\geqq 2-3\cos\theta が成り立つことである。


2−3cos⁡θ2-3\cos\theta の最大値は 55 であることから、

N≧0  ⟺  2HR≧5  ⟺  H≧52R\begin{aligned}N\geqq 0 &\iff \dfrac{2H}{R}\geqq 5 \\&\iff H\geqq \dfrac{5}{2}R\end{aligned}



最後に、円 O4\mathrm{O}_4 での運動を考える。

力学的エネルギー保存則により、点 Q\mathrm{Q} における速さ vQv_\mathrm{Q} は

12mvQ2+mgH−mgs(1−cos⁡ϕ)=mgH  ⟺  vQ=2gs(1−cos⁡ϕ)\dfrac{1}{2}mv_\mathrm{Q}^2+mgH-mgs(1-\cos\phi)=mgH \iff v_\mathrm{Q}=\sqrt{2gs(1-\cos\phi)}

であるから、垂直抗力を N2N_2 とすると、

mvQ2s=mgcos⁡ϕ−N2  ⟺  N2=mg(3cos⁡ϕ−2)m\dfrac{v_\mathrm{Q}^2}{s}=mg\cos\phi-N_2 \iff N_2=mg(3\cos\phi-2)

が得られる。


ここで、円 O4\mathrm{O_4} の弧に入った瞬間に ϕ\phi は最大値 α\alpha をとるから、小球が円弧を離れない条件は

N2≧0  ⟺  3cos⁡α−2≧0  ⟺  cos⁡α≧23[e]\begin{aligned}N_2\geqq 0 &\iff 3\cos\alpha-2\geqq 0 \\&\iff \cos\alpha \geqq \dfrac{2}{3} \quad [\mathrm{e}]\end{aligned}


次の 55 つの場合のそれぞれにおいて、小球が受ける垂直抗力の最大値を考える。


①① 円 O1O_1 または円 O3O_3 上で円運動をするとき、最大値は N1=mg(2Hr+1)N_1=mg\left(\dfrac{2H}{r}+1\right)


②② 円 O2O_2 上で円運動をするとき、最大値は N=mg(2HR+1)N=mg\left(\dfrac{2H}{R}+1\right)


③③ 円 O4O_4 上で円運動をするとき、最大値は N2=mgN_2=mg


④④ 線分 CD\mathrm{CD} 上または線分 DT\mathrm{DT} で等速直線運動をするとき、垂直抗力 N3N_3 は常に N3=mgN_3=mg


⑤⑤ 斜面 UV\mathrm{UV} を上昇するとき、垂直抗力 N4N_4 は常に N4=mgcos⁡αN_4=mg\cos\alpha


以上より、r<Rr<R であることに注意すると、垂直抗力の大きさが最大となるのは 22 点 C,TC,T で円運動をするときだから、[b],[e]\mathrm{[b],[e]} である。



解答は以上となります。「円運動を続けられる条件(これを束縛条件と言います)は向心力が 00 以上である」はよく出てきますね。

このほかにも、糸が緩まない条件は張力が 00 以上や、物体が回転しない条件は(モーメントのつり合いから)垂直抗力が 00 以上など、束縛条件を考える問題は頻出なので押さえておきましょう。



  • ishiryo
    お礼

    ありがとうございました!!

    本当に助かりました。

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