[C.2] 鉛直落下と水平投射:速さの2乗に比例する抵抗力が働く場合
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同じの高さからの鉛直落下と水平投射の
運動(水平方向に初速度を与える運動)を比較する.ここでは,速さ v の2乗に
比例する抵抗力が働く場合を考える.
物体には鉛直下向きの一定の重力 mg に加えて,
大きさが Fd=k2v2 で
速度と逆向きの下図に示すような抵抗力が働く.
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小石やゴルフボールを斜め上に投射した場合にも,
鉛直下向きの一定の重力 mg に加えて,
速度と逆向きの下図に示すような抵抗力 Fd を受ける.
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水平投射や斜方投射では物体は初速度を含む鉛直平面内で運動する.このような場合,運動方程式は水平成分と鉛直成分からなる.
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さて,速さの2乗に比例する空気の抵抗力が働くとして,
同じの高さからの鉛直落下と水平投射の運動のシミュレーションを動画で表してみよう.
高さは 100m にとり,鉛直落下では初速度は 0,水平投射では初速度の大きさは v0 = 20 m/s とする.
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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.
100m の高さからの鉛直落下と水平投射の比較
水平投射の初速度 v0 = ( vx,vy ) = (20,0) [m/s] 水平方向 x [m],鉛直方向 y [m],時間 t [s] |
100 m の高さからの鉛直落下と水平投射の比較 1秒経過ごとの画面を動画で表示 |
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水平方向の運動にも逆向きの抵抗力が働くので,
初速度として与えられた 20m/s の速度成分は時間とともに減少している.
加えて,空気抵抗が無視できる場合は,自由落下と水平投射の運動では同時に地面に到達するが,
速さの2乗に比例する抵抗力が働くこのシミュレーションの場合は,鉛直落下の方が水平投射の場合よりも
早く地面に到達している.なぜこのようになるのだろうか.
単位質量あたりの抵抗力の水平成分は -cvvx,鉛直成分は -cvvy であることに注意しよう.
(上述の運動方程式を参照.)
ここで v は速さ(速度の大きさ)である.鉛直落下では初速度は 0,従って v = 0 であり, 落下し始めの抵抗力
は小さい.水平投射では初速度は v0 = 20 m/s.それ故,当初から v = 20 m/s であり,水平投射後の
抵抗力はすぐ大きくなる.(このページの最初の図と下に示す速さの時間的変化のグラフを参照.)
従って,水平投射後の運動はより遅くなり,地面に到するまでにより時間がかかる.
これは,水平方向の運動と鉛直方向の運動が速さ v を通して絡み合っている結果である.
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速度の水平成分と鉛直成分の時間的変化のグラフ:グラフは地表到達時刻
よりも伸ばして描いている.
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速さ(速度の大きさ)の時間的変化のグラフ:鉛直落下と水平投射で終端速度は同じであることに注意.
(チャレンジ)

速さの2乗に比例する空気抵抗力が働く場合に,100m の高さから
水平方向に 50m/s の初速度で投射したとき,地面に到達するまでの時間は上のシミュレーションの場合よりも
長いか,短いか,それとも同時であるか.理由を述べて答えよ.

速度に比例する抵抗力が働く場合の鉛直落下と水平投射の運動を考える.
地面に到達するまでの時間は,空気抵抗が無視できる場合のように同じであるか,それとも
速さの2乗に比例する抵抗力が働く場合のように違ってくるか.理由を述べて答えよ.
下記の
速度に比例する抵抗力が働く場合の運動方程式を参照せよ.