POWE
図のような傾斜軌道を下り, 半径rの円形のレール
を滑走する台車について考える。台車の質量をm、重
力加速度の大きさをgとし, 台車は質点として扱い,
台車とレールとの間の摩擦を無視する。
(1) 台車の出発点Aの高さをんとし, レールの円形
部分の頂点をCとする。 ∠COB が0となる点Bで,
レールが台車におよぼす力の大きさNを求めよ。
(2) 台車が点Cを通過するための, 出発点の高さんの最小値ん。 を求めよ。
指針 (1) 力学的エネルギー保存の法則
を用いて, 点Bでの速さを求め, 台車の半径方
向の運動方程式を立てる。
(2) (1) の結果を利用する。 点CでN≧0であれ
ば、台車は点Cを通過できる。 すなわち,高さ
ん。 から出発したとき, 点CでN=0 となる。
解説 (1) 点Bの高さ
は,図から,r(1+cose) と
表される。 点Bでの速さを
ひとし, 水平面を基準の高
さとして, AとBとで, カ
学的エネルギー保存の法則
を用いると,
mgh= -mv²+mgr (1+cose) ... ①
地上から見ると,点Bにおいて台車が受ける力
は,重力,垂直抗力である。 重力の半径方向の
成分の大きさは mg coseであり, 半径方向の
rcoso
IN
B
mg
mg cose
運動方程式は,
02
m
r
N=
OO
A
img cos0+N... ②
式 ① ② から”を消去し, Nを求めると,
mg (2h-2r-3r cos0)
r
0=
発展問題 212, 213,214
0
mg
r
A
(2) 点Cでの垂直抗力Nは, (1) のN00 を
代入した値で表される。 また, 求める高さん。 は,
点Cで N = 0 になるときの値である。 (1) の結
果から,
(2ho-5r)
Q Poin
《Point h=5r/2のとき, 点Cで台車の速
さが0となるわけではなく, ん。 は, 力学的エネ
ルギー保存の法則だけでは求められない。
N = 0 となるとき, 台車は, 点Cで重力を向心
力とする円運動をしている。
B
5
=r