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例題集 / 物理 / 力学 / いろいろな力

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斜面上物体の摩擦運動

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水平と$\theta $の角をなす斜面上で,初速0の物体の時刻$t$における速度とその間に動いた距離を導け。ただし、静止摩擦係数:$\mu$,運動摩擦係数:$\mu’$とし,$\tan \theta > \mu$の条件が成り立ち物体は滑り出すとする。

解答例・解説

物体の質量:$m$,加速度:$a$,垂直抗力:$N$として, 斜面平行・垂直方向の運動方程式より,運動方向を正として, \[斜面平行:  mg\sin \theta - \mu 'N = ma \] \[斜面垂直:  N - mg\cos \theta = 0 \] \[ \therefore mg\sin \theta - \mu 'mg\cos \theta = ma \] 加速度は, \[ a = \left( {\sin \theta - \mu '\cos \theta } \right)g \] 速度と加速度の定義より,時刻$t$で積分して, \[速度:  v\left( t \right) = v\left( 0 \right) + \int_0^t {a\left( t \right)\;{\rm{d}}t} = {v_0} + \left( {\sin \theta - \mu '\cos \theta } \right)gt \] 初期条件より,$v_0$=0として, \[ \therefore v\left( t \right) = \left( {\sin \theta - \mu '\cos \theta } \right)gt \] 速度と位置の定義より,時刻$t$で積分して, \[位置:  x\left( t \right) = x\left( 0 \right) + \int_0^t {v\left( t \right)\;{\rm{d}}t} = {x_0} + \left( {\sin \theta - \mu '\cos \theta } \right)\frac{1}{2}g{t^2} \] 初期条件より,$x_0$=0として, \[ \therefore x\left( t \right) = \left( {\sin \theta - \mu '\cos \theta } \right)\frac{1}{2}g{t^2} \] 【参考】 滑り出す条件:$a>0$であるから, \[ mg\sin \theta - \mu mg\cos \theta > 0 \] \[ \therefore \tan \theta > \mu \] となる。 %=image:/media/2014/01/27/139079388770005800.png: