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[1] 図のように、斜面方向下向きにX軸 (単位:m) をとり,傾斜角0 (単位:
rad) の斜面上の最下点からの距離 (単位:m) 最下点を通る基準水平面か
らの高さん (単位:m) に原点Oをとる。 半径R (単位:m), 質量M (単位:
kg) の剛体球が,時刻 t0Bに点Oから初速0m/sで降下する。 重力加速度
の大きさを(単位:m/') とし, この運動において、力学的エネルギー保存則
が成り立つものとする。 このとき, (1)~(6)に答えよ。
X
剛体球
h
まず,剛体球と斜面との間の摩擦が無視できる場合について考える。
(1) 剛体球と斜面との間の摩擦が無視できて、剛体球が回転することなく滑って斜面上を降下するとき、この剛体球の並進運動
の運動方程式を書け。
(4) 斜面上を滑ることなく転がる剛体球の角速度の大きさ : w=
であることを説明せよ。
次に, 球と斜面との間の摩擦が無視できない場合について考える。 剛体球と斜面との間の摩擦が無視できないとき,剛体球は
滑ることなく転がって斜面上を降下した。
1=MR²
-MR2 であることを示せ。
(2) 半径R (単位:m) 質量M (単位:kg) の剛体球の慣性モーメントⅠ (単位:kg'm') が, I =
ただし, 半径r (単位:m), 質量m (単位:kg) の薄い球殻の慣性モーメントが -mr² (単位:kg・m) であること, 半径r
(単位:m) の球の表面積が 4πr2 (単位:m') であり、体積が -TTT" (単位:m) であることを、 それぞれ用いてよい。
3
4
3
(3) 剛体球が点Oで静止している状態からの剛体球の質量中心Cの周りの回転角をゆ (単位 : rad) とする。 剛体球と斜面との間
の摩擦力の大きさを F (単位:N) として,この剛体球の運動方程式を並進運動と回転運動に分けてそれぞれ書け。
de のとき、この剛体球の斜面方向の速さ : v=Rw (単位:m/s)
dt
(5) (3)の並進運動の運動方程式と回転運動の運動方程式を連立して, この剛体球の斜面方向の並進運動の加速度の大きさが
gsin0 (単位:m/s) で与えられることを示せ。
5
(6) この剛体球が斜面上を滑ることなく転がるとき, 最下点におけるこの剛体球の斜面方向の並進運動の速さ V(単位:m/s) が
V = -gh (単位:m/s) で与えられることを示せ。
10
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