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58. たてばねによる単振動〉
図のように、なめらかで十分長い直線状の棒 OP を鉛直に立ててO
端を水平な床に固定した。 この棒に、同じ質量mの穴の開いた小さ
い物体A,Bを通した。物体Aには、ばね定数の軽いばねをつけ、
ばねの他端は棒の端に固定した。 ばねはOP 方向のみに伸縮し、棒
と物体A,Bの間に摩擦はないものとする。さらに,物体Aのばねと
は反対側に質量と厚さの無視できる接着剤で物体Bを接着した。 物体
[18 広島大
P
物体
x=0+
接着剤
物体
ABが廻しあうときは物体とBはないが、引きあうときは引きあう力の大きさが
着剤の接着力以上になると物体AとBは離れる。重力加速度の大きさを!とする。
初めに, ばねはその自然の長さからだけ縮んで, 物体 A, B はつりあいの位置に静止し
ていた。 図のように,このつりあいの位置を x=0 とし,鉛直上向きを正とするx軸をとる
(1) 自然の長さからのばねの縮みを,m,k,g を用いて表せ。
まず, 接着剤の接着力が十分大きく, 物体AとBが離れない場合を考える。物体Bをつりあ
いの位置から6だけ押し下げ、静かに手をはなすと, 物体AとBは一体のまま上下に振動した
(2)この振動の周期を,m, k を用いて表せ。
(3) この振動をしているときの物体A, B の速さの最大値を,m, k, bを用いて表せ
物体AとBが一体のまま運動しているときの両物体の位置の座標をxとする。 また, 物体
Aが物体Bから受ける力をTとし, x軸の正の向きをTの正の向きとする。 つまりTが
正のときは物体AとBは引きあっているが,Tが負のときは押しあっていることになる。
(4)このとき, 物体Bにはたらく力を, m, g, Tを用いて表せ。 x軸の正の向きを物体Bには
△
たらく力の正の向きとすること。
△ (5) 物体 A,Bの運動方程式を考えることで, Tを,m, k, g, xを用いて表せ。
.00
図 (6) Tをxの関数として, -3d≦x≦3d の範囲でグラフにかけ。 ここでは6>3d とする。
D
次に,接着剤の接着力が小さく, 物体 A, B間の引きあう力の大きさがmg以上になると,
物体AとBは離れる場合を考える。 ただし,離れる瞬間の前後で, 物体AとBの運動エネル
ギーや,ばねの弾性エネルギーは変化しないものとする。
物体Bをつりあいの位置からだけ押し下げ、静かに手をはなすと, 物体Bは運動の途中
で物体Aから離れた。
x (7) 運動の途中で物体Bが物体Aから離れるためには,はある値以上でなければならな
い。 by を,m,k,g を用いて表せ。
x (8) 物体Bが物体Aから離れた瞬間の物体Bの速さを,m,k,g, b を用いて表せ。
〔22 千葉大〕