[D.1] 初速度の鉛直方向の成分が等しい2つの斜方投射:空気抵抗が無視できる場合
はじめに,地表から鉛直真上に投射したときの運動と 斜方投射したときの運動を比較してみる.空気抵抗は無視できるとする.斜方投射の初速度の鉛直上向きの成分が,鉛直真上投射の初速度と 等しくなるようして,それらの運動のシミュレーションを動画で表している.
画像上にマウスポインタを置くと,動画が始まる.はずすと初期画面にもどる. t = ... の数字は運動し始めてからの経過時間(単位は秒)を示す.
鉛直真上への投射 初速度 v0 = (0,26) [m/s] と
斜方投射 初速度 v0 = (15,26) [m/s] の比較
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
1秒経過ごとの画面を動画で表示
左の動画と右の1秒経過ごとの画面から読み取れるように,鉛直真上 投射と斜方投射の両方の運動において,鉛直方向へは同じように上昇し,同じ高さの最高点に達し,同じように 落下している.これらはいずれも鉛直下向きに働く重力による運動であり,時刻 t [s] での落下距離 は (1/2)gt2 [m] で与えられる. ここでは,鉛直上向きの初速度を両者で等しくなるようにとっているが,異なった初速度を与えると, 最高点の高さや地面への落下時刻は違ってくる.しかし,鉛直下向きに働く重力による落下距離 は常に (1/2)gt2 [m] で与えられる. 斜方投射では,水平方向には初速度で与えられた 15m/s の等速運動をしており,水平方向には力が働いてい ないことがわかる.
そこで次に,質量 m = 0.1 kg の小石と質量 m = 0.2 kg の小石を同じ位置から同時に斜方に投射してみよう.
質量 0.1kg の小石は初速 30m/s,仰角 60度で投射する.
初速度は v0 = (30cos60°,30sin60°) = (15,15·31/2) = (15,25.98) [m] である.
質量 0.2kg の小石は初速 15·61/2m/s, 仰角 45度で投射する.
初速度は  v0 = (15·61/2cos45°,15·61/2sin45°) = (15·31/2,15·31/2) = (25.98,25.98) [m] である.
すなわち,ここでも,初速度の鉛直方向の成分が等しくなるように取っている.
これら2つの運動のシミュレーションを動画で表す. 空気抵抗は無視
画像上にマウスポインタを置くと,動画が始まる.はずすと初期画面にもどる. t = ... の数字は運動し始めてからの経過時間(単位は秒)を示す.
初速度の鉛直方向の成分が等しい2つの斜方投射
初速度は v0 = (15,25.98) [m/s] と v0 = (25.98,25.98) [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
上の動画から読み取れるように,2つの小石は同時に最高点に達し,同時に地面に到達する. これは,初速度の鉛直方向の成分が等しいからである.水平方向には等速運動をするので, 初速度の水平方向の成分が大きい 0.2kg 小石の方が水平距離で遠くまでとどく.区別のために,質量の異なる小石としたが, すでに述べたように,空気抵抗が無視できる場合の運動は質量にはよらない.
[D.1] の終