[D.3] 標的に向けて鉄砲を撃つ: (1)空気抵抗が無視できる場合
ある高さのところに標的を止めておき,それに向けて鉄砲を撃つ. 鉄砲弾が発射されると同時に標的は静止状態から落下し始めるように仕掛けておく. 空気の抵抗力が無視できるとして,シミュレーションのいくつかを動画で示す.
ここでは,標的の高さを h = 20m に,標的までの水平距離 を l = 30m に固定し,鉄砲弾の初速度の大きさを
v0 = 20,30,40,50 [m/s] にとった4つの場合を例示する.
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.
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 20 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 30 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 40 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 50 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
標的の高さ h [m] と鉄砲から標的までの水平距離 l [m] が与えられると, 鉄砲弾の発射角 θ(上図において破線が x 軸の正方向となす角)が決まる.tanθ=h/l. 鉄砲弾は 初速に関係なく標的に命中する.
その理由は,弾も標的も鉛直下向きには同一の 加速度 g = 9.8 [m/s2] で運動し,同一時間に は同一の鉛直距離 (1/2)gt2 [m] だけ落下するから である.
(チャレンジ) 空気抵抗が無視できる場合は,鉄砲弾は初速に関係なく標的に命中した. 空気抵抗が無視できる場合と同じように鉄砲弾を発射するとして,速さの2乗に比例する抵抗力が働く場合
 鉄砲弾は標的に命中するだろうか. 鉄砲弾と標的での抵抗力の働き方に注意し,今までのシミュレーション結果を参考にして自分なりに予測せよ.
以下に空気抵抗がある場合のシミュレーションを動画で表示している. 抵抗力は[B.3], [C.2], [C.3], [C.4]で取り上げたのと同じものである. 予測は当たったか,はずれたか.なぜこのシミュレーションのようになるのか,理由を簡潔に述べよ.
 
標的に向けて鉄砲を撃つ: (2)速さの2乗に比例する抵抗力が働く場合
ある高さのところに標的を止めておき,それに向けて鉄砲を撃つ. 鉄砲弾が発射されると同時に標的は静止状態から落下し始めるように仕掛けておく. 速さの2乗に比例する抵抗力が働くとして,シミュレーションのいくつかを動画で示す.
ここでは,標的の高さを h = 20 m に,標的までの水平距離 を l = 30 m に固定して,鉄砲弾の初速度の大きさを v0 = 30,40 [m/s] にとった2つの場合 を例示する.
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.
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 30 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
標的の高さ h = 20 m, 標的までの水平距離 l = 30 m.
弾の初速度の大きさ v0 = 40 [m/s]
水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s]
初速度の大きさが v0 = 30 [m/s] の場合は,弾が水平距離で標的 の位置に来たときの弾の高さは 11.01m,そのときの標的の高さは 10.33m である. 初速度の大きさが v0 = 40 [m/s] の場合は,弾が水平距離で標的 の位置に来たときの弾の高さは 14.91m,そのときの標的の高さは 14.43m である.
ここでは表示していないが,鉄砲弾の初速度の大きさ が v0 = 20 [m/s] の場合は,弾は標的の位置にとどく前に地面に落ちる. 初速度の大きさが v0 = 50 [m/s] の場合は,v0 = 40 [m/s] の場合から想像できるが, 初速度が大きいだけに弾はもっと高く,もっと遠くまでとどく.
[D.3] の終